形位测量仪分布式模块化硬件设计与实现

随着海洋平台地基形位测量仪性能提高,针对其电子系统硬件规模不断增加而导致的研制周期长、可靠性下降、成本增加等问题,对电子系统各功能任务和信息流传输结构进行分析和分解,提出了一种分布式模块化硬件设计方案,逐一实现了各个硬件模块功能并最终集成为海底形位测量仪电子系统。在多次海上试验中,经长时间海上恶劣环境工作条件下测试,其硬件模块工作稳定、性能可靠,有效地验证了所提设计方案的可行性和实用性,且缩短了研制周期、降低了研发成本。     

基于Khatri-Rao积的三维前视声呐空间方位估计技术

为了提高3维前视声呐的方位分辨能力,同时避免2维(2D)方位估计(DOA)方法失效,该文提出1维(1D)空间角估计方法、基于Vernier法的垂直角估计方法和基于最小角定理的水平角方位估计方法.首先基于不同子阵构造互协方差矩阵避免2维方位估计模型失效,再利用Khatri-Rao积进行虚拟孔径扩展;将扩展后的阵列导向矢量和观测向量模型用于2维方位估计.与原阵列的导向矢量相比,虚拟阵元数量约增加1倍,阵列的孔径得到有效扩展.仿真实验表明,与单观测向量波束形成2维方位估计方法相比,所提方法在2维方位估计问题中具有更高的分辨能力,均方根误差更低;水池实验进一步验证了该文所提方法的工程实用性.     

多子阵超宽覆盖海底地形探测方法试验研究

针对多波束海底地形探测系统超宽覆盖问题,提出了具有超宽发射和接收特性的声学基阵设计方案以及多子阵空间建模回波到达方向(DOA)估计方法.超宽覆盖声学基阵的发射阵与接收阵呈"T"型排列,发射阵为直线排列的圆弧阵,接收阵为均匀线阵,发射波束宽度可达144.7.多子阵空间建模DOA估计方法,在较低信噪比情况下仍具有较高的方位估计性能,从而有效估计边缘回波信号方位,仿真数据和典型的多波束海试数据处理结果都证明了算法的可行性.同时,湖上试验验证了超宽覆盖声学基阵和多子阵空间建模方法的有效性,试验结果表明在20 m水深的情况下完全可达到7倍以上水深的覆盖宽度.     

基于全孔径波束相位的方位估计新算法

基于传统FFT波束形成算法输出,结合利用apFFT波束形成算法得到的目标初相位信息,提出了一种新的方位估计算法WABP,其原理是根据FFT和apFFT输出的同号波束的相位差解算得到目标的方位信息,此算法比传统的FFT方位估计算法精度高,比子空间类算法鲁棒性好。计算机仿真结果验证了此算法的正确性,对多波束测深系统的水池试验数据处理结果展示了此算法的有效性与实用性。     

高分辨多波束海底地形探测的MSB-RMU算法研究

常规多波束测深系统中采用的FT波束形成技术不能完成外侧波束区域海底地形的高精度估计,而采用相位检测法的相干多波束测深系统在此区域能得到高精度和高分辨地形估计。基于此,该文提出MSB-RMU算法,此算法结合FT波束形成技术和相位检测法的优势,具有较高的空间分辨率,能够同时实现中央波束区域和外侧波束区域的高精度地形估计。对试验数据的处理结果表明此方法的有效性、实用性与优越性。此算法保证了国内首台多波束测深系统能够达到6倍水深以上的覆盖扇面。     

应变式负荷传感器温度补偿研究

针对应变式负荷传感器容易受环境温度变化的影响,对其受温度变化的影响机理进行了研究,建立了温度补偿数学模型;研究表明应变式负荷传感器的输出是与载荷和温度大小有关的多元曲线,即包含2条曲线:曲线1是温度不变时的“载荷-输出”,曲线2是载荷不变时的“温度-输出”;经过实验验证,在经过4次拟合补偿修正后,曲线1的输出示值误差由±0.15%减少到±0.006%,而曲线2减少到±0.009%;因此,选用曲线1拟合修正温度补偿方法,并通过实际的应用验证了该方法的有效性和可靠性。     

多波束相干海底成像技术

为使多波束测深系统获得高质量的海底地貌图像,研究一种基于多波束相干原理的成像方法.在分析多波束相干算法估计海底回波到达时间(time of arrival,TOA)与到达方向(direction of arrival,DOA)原理的基础上,结合水声环境与声呐系统参数对各检测点对应的反向散射强度和地理位置信息进行估计,并从相干信号的幅度、相关性以及频谱三方面对受噪声影响的相位差数据进行质量控制,实现了反向散射强度和空间位置信息的准确融合.试验数据的处理结果验证了该方法能有效抑制噪声对相位差序列的干扰并且所获声呐图像具有较好的空间分辨率.     

时反法用于被动通信的研究

时反法是一种新颖的自适应聚焦技术，它可以使声信号在未知环境下实现时空聚焦。海洋是一个复杂多变的信道，它会使声信号产生畸变从而降低通信系统的工作性能。分析了时反法的理论基础，并对其用于浅海被动通信进行了仿真研究。仿真结果表明，它可以使信号实现重构，消除码间干扰，提高通信系统的性能。     

多子阵高分辨海底地形探测算法及其FPGA和DSP阵列实现

针对多波束测深系统中高分辨海底地形探测问题,提出一种基于多子阵波束域MUSIC算法(Multiple sub-array beamspace MUSIC,MSB-MUSIC),它将多子阵波束域算法的稳健性与MUSIC算法的高分辨特性相结合,从而实现高分辨海底地形探测算法。同时针对高分辨算法运算量大难以实时实现的问题,设计了由6片DSP和2片FPGA(现场可编程门阵列)组成的并行处理系统用于算法的实时实现。海底仿真场景和湖上试验都验证了算法的有效性。