超空泡水下航行器直航弹道三通道控制与动态特性仿真

水下航行器在超空泡状态直航时,其运动模式和常规全沾湿水下航行器完全不同,为保证该模式下直航弹道的稳定性,提出对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚三通道进行特殊控制。从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,分析了其力学特性,建立了航行器三通道空间运动模型;采用空化器首舵和航行器尾舵对超空泡航行器直航弹道进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合。针对超空泡航行器直航三通道进行了动态特性仿真,仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控     

嵌入注意力机制的卷积神经网络水声目标识别

针对低信噪比水声目标单一特征识别率低,稳健性差的问题,提出一种基于注意力机制和多尺度残差卷积神经网络（Multi-scale Residual CNN with Attention,MR-CNN-A）进行特征融合的识别方法。该方法根据多尺度卷积核与特征图形成多分辨率分析关系,并以此通过注意力机制实现优势特征权值提取与融合,从而提高模型在文中水声数据集上提取目标噪声特征和分类识别的稳健性与抗噪能力。开展了4类舰船噪声和海洋环境噪声的识别试验、水下和水面自主式水下航行器的识别试验,以及不同信噪比条件下目标噪声的识别试验。结果表明：对于文中所涉及的水声目标噪声和人工高斯白噪声干扰,该网络模型识别正确率明显高于支持矢量机与简单卷积神经网络,且对高斯白噪声的抑制能力远强于支持矢量机与简单卷积神经网络,稳健性好,模型复杂度小。     

水下无人航行器自主检测方法研究

自主检测技术是实现水下无人航行器(Underwater Unmanned Vehicle,UUV)智能化的关键技术,是无人航行器能够自主执行水下预警、目标跟踪等任务的前提。针对当前基于均值类和有序统计类恒虚惊(Constant False Alarm Rate,CFAR)技术的自主检测方法在背景起伏严重、多目标情况下,背景噪声统计特性估计不准确、自主检测性能下降的问题,文章提出了一种基于方位-时间二维参考窗联合有序截断平均算法的自主检测方法。首先,该方法设计了一种方位-时间二维参考窗,解决了一维参考窗检测参考样本过少、噪声统计量估计不准的问题;其次,采用有序截断平均算法估计背景噪声统计量,对起伏背景进行均衡;最后,利用背景噪声均值和方差构造恒虚警检测器,采用检测前跟踪技术,实现起伏背景下、多目标自动检测与跟踪。湖上试验结果表明,在水下无人航行器的自噪声干扰下,该方法对多目标依然具有较好的自主检测效果。     

水下航行器声振特性的统计能量法研究

针对有限元法和边界元法难以分析结构的中高频声振特性,采用统计能量分析方法,建立了带动力设备的水下水下航行器结构机械噪声预报模型.通过理论和试验相结合的方法确定水下航行器结构统计能量分析模型的基本参数,对水下航行器结构在宽频带范围内的水下振动和声辐射规律进行了分析与研究.     

深水耐静压耐冲击弯曲振动换能器

现代海洋事业的发展,要求对水下航行器的许多技术性能进行测试和控制,这不仅是指其水下航行时的水动力噪声的测试,更多的是利用水声技术对航行体的水动力性能进行测试和控制,例如对航行轨迹,航行速度的测量、控制,对航行状态(纵摇、横摇)的测量、控制对湍流、尾流特性的测量等等。 水下航行器对水声测试设备,特别是换能器有其重要的特殊要求。特别是要求换能器小和轻,因为水下航行器对重量和体积要求极严格,尤其是那些航行器本身是小型、轻型的更是如此。 当然,要求水声换能器有高效率和高功率是必然的,然而,体积小、重量轻而又高功率、高效…     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟,大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而,在分离流作用的一些局部重要区域,例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等,风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压,本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先,根据风速与风压间的关系,严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后,基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论,提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后,通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合,而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

通气航行体表面压力脉动特性实验研究

通过水洞实验对水下通气航行体云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数下航行体表面压力脉动特性。为了研究通气空化的脉动特性,通过动态测力系统测量了航行体表面的压力,并对压力信号进行了频谱分析,得到了通气航行体表面压力在不同空化数下通气空化的频域特征。实验得到以下结论:通气空泡形态与其对应的表面压力脉动特征随着空化数的变化存在明显不同的非定常特性,通气空化流场形态与表面压力脉动特征频率有较高的相关性。并且不同空化数下通气空化压力脉动主要是由大尺度空泡周期性脱落引起,表面压力的特征频率与空泡的断裂脱落相对应;随着空化数的减小,航行体平均表面压力峰值逐渐增大,空泡脱落后表面压力波动逐渐趋于平缓。     

系统参数对超空泡航行体非线性动力学特性的影响

为保证水下超空泡航行体稳定地高速运动,在经典控制律的基础上,提出了一种新的控制律,并将之应用到超空泡航行体动力学模型中,通过动力学地图呈现了航行体尾翼偏转角、空化器直径随空化数变化的动力学行为,运用分岔图进一步探讨了超空泡系统的动力学特性,并采用数值仿真、相轨图和Lyapunov指数谱等非线性分析工具分析了航行体在不同参数下的运动状态。研究结果表明,随着尾翼偏转角、空化器直径和空化数的变化,超空泡系统的运动状态会在稳定航行、周期振荡和混沌振荡之间切换。当航行体参数不变,初始的深度、垂直速度、俯仰角和俯仰角加速度不同时,系统能体现瞬态周期、瞬态混沌和运动状态转移等非线性运动特性。研究结果将对超空泡航行体稳定控制有指导意义。     

水下超高速航行体纵向运动的控制方法研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,使其阻力显著降低而达到高速航行的目的.与常规水下航行体相比,水下超高速航行体的受力方式、力矩平衡以及弹道控制方法都有显著的差别.该文对超高速航行体的空化器受力、尾部滑行力等进行了系统的分析,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学模型及摔制模型.然后以空化器偏转角、航行体攻角及推力矢量偏转角为控制变量,采用线性二次型调节器方法设计前馈反馈控制器,完成了水下超高速航行体控制方法的仿真分析.仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪控制信号,具有良好的控制品质.为进一步研究水下超高速航行体的控制问题提供了一定的理论参考.     

舰船螺旋桨空化低频辐射噪声时频域仿真

依据空泡动力学经典理论的分析结果,仿真出单个空泡体积变化时间波形及相应的声脉冲。将旋转桨叶充分空化情况下,一周期内引起的空泡群破灭过程的平均行为用单空泡仿真,并将不均匀尾流场空泡群噪声辐射近似描述为以叶片频倒数为周期间隔出现、幅度随机变化的单脉冲所构成的脉冲序列组成,并在声压脉冲波形上叠加适当的高斯白噪声。推导了宽带洛埃镜模型信道响应函数,分析其相应的谱特性,对深海近表面目标螺旋桨空化近场低频辐射噪声场进行了仿真,仿真结果与实测数据吻合较好。     

Dopplerlet变换推广及其在主动声纳中的应用

针对水下高速运动目标的主动探测问题,引入了Dopplerlet变换。根据运动目标回波的特点提出了主动Dopplerlet原子．并分析了基于主动Dopplerlet变换的自适应匹配塔形分解算法,克服了Dopplerlet变换在被动信号处理中声源频率变化引起误差增大的问题。将算法应用于高斯白噪声和高斯色噪声背景中运动目标的检测和速度距离的估计．取得了较好的结果。     

考虑空化作用的潜射航行体弹道仿真

该文基于独立膨胀原理研究了潜射航行体的自然空泡形态及小机动条件下空泡轴线的偏移,采用细长体理论计算了航行体部分沾湿区的流体动力,建立了纵平面内潜射航行体水下运动数学模型。针对自然空化条件下潜射航行体水下航行段弹道进行了仿真分析,仿真结果表明,艇速干扰使弹道出现弯曲,艇速越大,航行体出水姿态角越大,不利于出水姿态的稳定,而空化作用产生的附加径向力在一定程度上对航行体姿态起到矫正作用,仿真计算结果与模型试验结果符合较好。     

Efficient stationary multivariate non-Gaussian simulation based on a Hermite PDF model

An efficient stationary multivariate non-Gaussian simulation method is developed using spectral representation and third order Hermite polynomial translation. An approximate closed form relationship is employed to identify the Hermite translation parameters based on target skewness and kurtosis. This preserves a high degree of accuracy over the entire admissible range of the Hermite translation, and eliminates the need for iterative solution of the translation parameters. The Hermite PDF model is suitable for a wide range of strongly non-Gaussian stochastic process. In addition, an explicit bidirectional relationship between the target non-Gaussian and Gaussian correlation is developed to eliminate the need for iteration or numerical integration to identify the underlying Gaussian correlation. Examples apply the simulation method to both theoretical targets and experimental wind pressure data.     

舰船尾流侧向声检测方法

舰船尾流声检测是水下航行体实现自动搜索、跟踪、攻击水面舰艇目标的最有效途径之一,当前工程应用和相关研究主要集中于从尾流下方实施的顶视声尾流检测方法.为了进一步研究水下航行体新型尾流检测技术,提高尾流自导性能及抗干扰能力,研究了舰船尾流的侧向声散射检测方法.分析了舰船尾流的几何特性和声特性,进行了实验室模拟尾流的气幕声散...     

某型蛙人运载器辐射噪声测量与特征分析

蛙人是港口和水下设施的重要威胁，蛙人运载器产生的辐射噪声是对依靠运载器执行任务的水下蛙人实施警戒探测的重要依据，目前利用声学系统被动探测是发现水下蛙人的有效手段之一。文章针对某型蛙人运载器的实际探测问题设计了声学测量实验，实验包括消声水池测量和海上测量两部分，目的是获取蛙人运载器的有效声学特征，包括声源级、指向性、功率谱、LOFAR谱和DEMON谱等，获得有效的轴频、叶频及其各次谐波簇。在实验测量的基础上，系统分析了某型蛙人运载器辐射噪声的典型时频变化特征，为水下蛙人运载器的警戒探测提供实测数据支撑。     

Wavelet multi-resolution analysis on particle dynamics in a horizontal pneumatic conveying

The particle velocities are measured by the high-speed particle image velocimetry (PIV) in the acceleration and fully developed regimes of a horizontal pneumatic conveying. Based on the measured particle fluctuation velocities, continuous wavelet transform and one-dimensional orthogonal wavelet decomposition were applied to reveal particle dynamics in terms of time frequency analysis, the contribution from wavelet level to the particle fluctuation energy, spatial correlation and probability distribution of wavelet levels. The time frequency characteristics of particle fluctuation velocity suggest that the small-scale particle motions are suppressed and tend to transfer into large scale particle motions from acceleration regime to fully developed regime. In the near bottom part of pipe, the fluctuation energy of axial particle motion is mainly contributed from the wavelet levels of relatively low frequency, however, in the near top part of pipe, wavelet levels of relatively high frequency make comparable contribution to the axial particle fluctuation energy in the suspension flow regime, and this contribution decreases as particles are accelerated along the pipe. The low frequency wavelet levels exhibit large spatial correlation, and this spatial correlation increases as the particles flow from acceleration regime to fully developed regime. The skewness factor and kurtosis factor of wavelet level suggest that the deviation of Gaussian probability distribution is associated with the central frequency of wavelet level, and the deviation from Gaussian distribution is more evident as increasing central frequency. The higher wavelet levels can be linked to small sale particle motions, which lead to irregular particle fluctuation velocity.     

阵列信号维纳滤波用于主动声呐图像增强处理

声呐图像的噪声背景抑制是提高水下目标检测能力的重要问题。针对声呐图像背景斑点噪声强、目标轮廓模糊、目标回波对比度低等问题,利用确定性目标回波信号与随机分布的干扰噪声之间的相关统计特性差异,采用基于最小均方差准则的阵列信号维纳滤波器,通过主动最小方差无畸变响应（Minimum Variance Distortionless Response,MVDR）波束形成和后置维纳滤波的两级处理,去除声呐随机噪声背景。试验数据的处理结果表明：在噪声干扰条件下,相比于常规波束形成（Common Beamforming,CBF）,主动MVDR处理提高了目标回波的局部信噪比,后置维纳滤波处理降低了随机分布的斑点噪声,使声呐图像的清晰度得到增强。