基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统关键技术研究

深入分析了我国海洋环境监测技术的不足与现实需求,提出一种基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统,探讨了系统的组成、架构及其涉及的关键技术。设计了可自主沉浮的水下传感器节点,探讨了水下传感器节点间、系统与控制中心间的通信方式,对网络拓扑结构进行了三维仿真,最后对水下三维传感器网络的应用前景进行了展望。     

基于蚁群算法的水下传感网网络生存期延长策略研究

随着海洋强国战略的推进和实施,水下传感器网络广泛应用于海洋资源探测、污染监测、辅助导航和水下军事侦察等领域,具有十分重要的意义。由于水下传感器所携电池充电或更换困难,如何减小传输能耗、在传感器能量受限的情况下提升网络生存期是亟须解决的关键问题之一。据此,提出了一种动态蚁群路由算法,考虑了每次传输后的节点剩余能量,作为路径优化的条件之一,基于蚁群算法在每次传输中选择最优路径,并在每次传输完成后更新路由表,让更多的节点参与信息传输,以提高节点的利用率。仿真结果表明：动态蚁群路由算法同时兼顾了能耗平衡和最小传输能耗,大大提高了网络生存期。分析结果对水下传感器网络的路由协议设计有一定的参考意义。     

传感器测量衰减下的水下目标纯方位跟踪算法

为解决多传感器水下目标纯方位跟踪中的传感器测量衰减问题,建立水下目标静态多传感器纯方位跟踪模型,将传感器测量衰减建模为统计特性已知的随机变量,基于融合中心接收到的各水声传感器的原始测量值,设计了一种集中式状态估计器结构,利用最小方差方法推导出最优的集中式目标状态估计增益。通过算例仿真可以得出,所提出的算法能够在水声传感器不做机动的前提下跟踪目标,弥补了单个水声传感器观测性不足的缺点,对比传统的集中式Kalman估计器,具有更高的精度,能够有效解决传感器测量衰减问题。     

三维符号构成及建模方法研究

随着计算机软硬件技术和三维可视化技术的快速发展,二维平面电子地图正在向直观、形象的三维电子地图方向过渡,而原来的二维地图符号已难以满足三维场景逼真性的要求,它必然要求与之配套的三维符号理论和技术的产生。由于三维符号如何构成及怎样标注尚无标准可遵循,在对三维符号的构成、分类及建模方法进行分析的基础上,提出了实体模型符号的两种建模方法,实验表明它们切实可行,能较好地表达三维实体模型。     

水声传播建模研究现状综述

声波是目前唯一能够在海水介质中进行远距离传播的有效载体,因此水下声传播建模理论成为水下作战环境研究的重点和难点之一,对现代声纳的设计和使用以及水面、水下作战部署具有重要意义。从水声传播建模理论的七个主要方面综述了声传播建模理论的发展研究现状,总结了国内外近几十年来并行计算在水声传播建模理论方面的应用现状,指出建立快速准确并与实际海洋环境条件相吻合的三维声场模型,并研究基于硬件平台的并行算法是未来水声传播建模理论的发展方向。     

基于虚拟仪器的水下目标二维角估计

利用LabVIEW软件，通过8通道数据采集卡和均匀圆阵对水下目标的噪声进行采集和处理。结合一维直线阵波束形成理论，实现了对水下目标二维方向角估计实验研究和算法验证。实验证明利用虚拟仪器方便地实现了对水声信号的采集、处理，以及在方位估计时，为传感器布阵和算法的确定提供参考。     

海岛三维信息可视化系统的构建及实现

三维技术能够以生动形象、简洁明了的形式表达事物的立体形态和与周边的空间关系,实现多源信息数据的集中一体化展示,本文通过基于Cesium开源框架,结合无人机倾斜摄影技术、海陆一体化数据融合技术、二三维一体化技术等,构建海岛三维信息可视化系统,实现海岛、周边海域、水下地形等多源数据的三维化、模型化、可视化展示,海岛三维信息可视化突破了海岛数据信息在平面地图中单调显示的局限,为海岛的管理、保护和开发利用提供了更高效的信息化辅助管理支持。     

基于平行立体视觉技术的海底立体摄像系统研究

计算机视觉经过几十年的发展,被广泛应用于社会各个领域,其核心是研究仿人类视觉从二维投影图像恢复三维景物世界的技术理论。尽管视觉计算理论数学方法上可行,但针对不同的应用需要,其数学算法实现上有所不同。结合应用于大洋海底资源勘查的"海底立体摄像系统"的研制,提出利用平行立体视觉理论实现从摄像图像重构三维海底微地形的技术方法。包括立体摄像机的研制要点、立体图像匹配、图像数据预处理、海底地形三维反演算法等,并对双目立体视觉技术的发展和应用提出了新的认识。     

一种水声组网定位一体化系统设计与实现

水声网络已在海洋信息立体化获取、传输、感知领域中得到广泛研究和应用，水声网络节点的位置是水声网络协议设计、多样化应用中常常需要的重要信息。依托全球定位系统定位、采用常规水声定位技术获取水声网络节点位置等解决方案存在着无法直接水下应用、多节点需多次定位效率低、需要精确时间同步等问题。提出一种水声组网定位一体化方案，该方案利用水声网络运行过程中网络节点互联互通进行的交互可以直接通过应答测距方式进行节点位置解算，从而实现在不影响网络通信的情况下，无需精确同步的通信定位一体化功能。给出了系统组网通信、测距、定位、误差校正等核心环节的设计过程，设计了一套小规模水声网络通信定位试验系统，并开展湖试试验。湖试试验结果初步表明了该系统组网、定位一体化的有效性。     

水声通信网及其多址接入技术

随着世界各国海洋开发步伐的加快,对水下传感器网络、水下监视系统、水声预警网络的需求愈来愈迫切,海洋水声通信网络的研究成了世界范围内的研究热点.水声通信网研究面临的主要困难是:海洋声信道的长延时、可用频带有限、严重的时变多途影响、功耗限制、网络安全性等.在分析水下无线通信的特殊环境后,针对水声通信网的多址接入技术进行了研究,选择适合的传输方式及相关协议构建基于OFDM与CDMA技术结合的水下通信网多载波CDMA系统;在matlab上实现多载波CDMA技术的水声通信网络节点对节点的数据传送,并得出了该系统的仿真结果:在帧长一定的情况下,随着信噪比的增大,系统的误码率会减小.在信噪比一定的情况下,子载波数目的进一步增大不会带来系统误码率的改善反而会使系统复杂性增加,降低系统的平均吞吐量,因此子载波数的选择应该在系统复杂性和效率之间折衷考虑.当水声信道上的信噪比一定时,可以通过控制数据帧的长度和子载波的个数来实现较高的网络平均吞吐量.     

基于AUV的声纳水下目标实时探测机制研究

针对传统船载声纳探测水下目标存在成像分辨率低、主观性强、耗时长、应用区域局限,以及自主式水下潜航器(autonomous underwater vehicle, AUV)受水声通信限制导致数据无法实时回传、处理及目标实时探测的问题,提出了一种基于AUV的声纳水下目标实时探测机制。首先对基于AUV搭载声纳设备实施水下目标探测的系统进行了阐述;然后提出了基于AUV的声纳水下目标实时探测实施流程和关键技术;最后通过海上试验,验证了该机制在一定程度上克服了水声通信限制,实现实时、高效、智能的水下目标探测,具有较强的实际指导意义。     

基于最小二乘法的超短基线水声定位系统校准方法

超短基线水声定位系统是海洋工程及水下无人系统中应用较广泛的精密仪器设备，为了提高对水下目标的定位精度，在使用前需对其进行校准。描述了一种基于最小二乘法迭代修正的超短基线水声定位系统校准方法，该方法以最小二乘法为基本原理，通过多次迭代修正的方式，修正基阵与GPS天线之间的平移偏差以及基阵与罗经之间的旋转偏差，从而提高系统的测量精度，最终通过湖上试验验证了该方法的有效性。     

带内全双工水声通信技术研究现状与展望

近年来,水声通信技术已经被广泛应用于海洋环境观测等方面,但可预见的,在未来发展趋势下,以半双工体制为主的水声通信网络,将会无法满足日益增长的水下信息交互需求。带内全双工水声通信技术可以在相同的通频带内,同时发射和接收通信信号,理论上可将现有的频谱效率提高 1 倍,在水声信道可用频谱资源严重受限、水下信息交互需求激增的背景下具有极高的研究意义与应用价值。因此,带内全双工水声通信技术已逐渐成为了目前水声通信领域的研究热点之一。简要介绍了目前无线电及水声通信背景下的带内全双工技术研究现状,对带内全双工水声通信面临的主要挑战进行了论述,并结合目前现有研究成果与实际工程应用中的难点问题,提出了几种可行的研究方向。     

VBF水下传感器网络路由协议的路径优化与模拟

针对水下传感器网络节点的移动性,以基本VBF(Vector-Based Forwarding Protocol)路由协议为基础,提出了1种适用于水下移动传感器节点的路径优化算法.为了验证此路径优化算法的有效性,分别对基本VBF算法和改进的VBF算法进行了3个模拟实验;从数据包接收成功率和网络负载两方面分析比较了实验模拟结果.比较结果可以看出:文中提出的路径优化的VBF路由协议的数据包成功接收率要优于VBF路由协议,降低了网络负载,并且该优化算法实现简单,不需要增加额外的网络延迟时间.     

水下光通信技术的研究与展望

水下光通信(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC)是一种新型的水下通信技术, 具有保密性好、可靠性高等优点,对于构建全光立体通信网络以及 6G 空天海地一体化全方位通信有重要的意义。分析了水下光通信相较于其他传统水下通信方式的优点,对水下光通信发展历程与进展进行了综述,对比了水下光通信 2 种主流光源：激光光源和 LED 光源。针对现阶段水下光通信面临的难题,提出了一种完善的水下光通信系统框图,并研制出相应的硬件系统,完成了水下通信调试。水下光通信是一种切实可行的新型通信方式,兼具灵活、保密、高速率等特点,在未来的 6G 时代中将会得到进一步的发展和应用。     

级联式ROV的设计及典型应用研究

首先,介绍了 ROV 的分类、特点、组成和应用场景,并基于现实问题提出级联式 ROV 的设计构想,简要说明了级联式 ROV 的特点与组成。然后,从整体控制技术、整体设计技术、水下布放回收技术、 母船与级联式 ROV 之间的通信技术、冗余设计和模块化设计技术、水声与电磁防护技术 6 个方面探讨了级联式 ROV 设计需要解决的关键技术和解决措施。最后,对级联式 ROV 典型的应用场景进行了举例说明。     

基于长基线系统深海采矿ROV精确定位

对于深海采矿集矿机ROV的定位,采用传统的长基线水声定位系统通常存在较大误差。对此提出了一种新的算法模型,首先通过比较集矿机测量位置与前一次修正位置的几何关系,对当前集矿机的位置进行修正,然后利用新的集矿机位置修正声速的数值,并得出重新修正后的集矿机测量位置。这样反复的多重迭代使得在某一时刻集矿机ROV的测量位置逐步趋近其理想位置,实现长基线系统的水声精确的三维立体定位。通过数值仿真分析,结果显示与传统的长基线水声定位方法相比,通过该方法获得的集矿机行驶轨迹能更好地趋近其理想行驶曲线,表明该算法的有效性。     

海域使用权立体分层确权及管理配套制度探讨

由于社会经济的不断发展和科技的快速进步,我国对海域空间资源的开发利用已从二维平面转向三维立体空间开发,但随之也对我国海域空间范围界定和权属管理提出了更高的要求。文章从海域立体空间分层特性出发,对我国海域使用权立体分层确权的内涵、基本原则、考虑因素进行了深入剖析,并对我国海域三维立体开发利用中面临的困境和管理配套制度的设计进行了综合探讨。研究结果表明：海域空间可以分为水面上方、水面、水体、海床和底土5个部分,海域使用权立体分层确权则是在同一海域多层次利用中,对基于特定功能用途所占用的特定海域空间开展使用权确权的过程,在海域使用权管理的过程中,必须构建和完善海域空间三维产权法律制度体系,以确保海域使用权立体分层确权的实施。     

水下便携式可应答同步编码声源系统研究

本文针对当前及未来多型水下航行体的通用化水下高精度定位跟踪及综合测控要求,开展小型便携式水下声源系统研究,解决了不同水下航行体定位跟踪及水声遥测与遥控的综合测控集成化问题,以及小型水下航行体的通用化声源安装适配性等难题。采用集成化一体式综合设计方案,功能上兼顾水声定位跟踪、水声遥测遥控等功能,性能上其短基线水声定位精度可达R×5‰(R为斜距),远程水声遥测遥控误码率为10~(-5)。本文在系统总体方案中平衡了小尺寸与高性能之间的传统矛盾,大幅缩减声源尺寸和重量,并完成了小型水下滑翔机湖上试验。试验结果证明,该声源系统在比国外类似产品更小尺寸和重量的基础上,同时具备水声定位跟踪和水声遥测遥控等综合测控功能,可为多型水下航行体湖海试验提供高精度实时定位测量及远程应急遥控手段,具有较高的实用价值和良好的市场应用前景。     

水下微地貌三维激光地形仪研制

为了高精度获取泥沙冲淤引起的地貌变化,提升滩海工程物理模拟实验研究水平,将激光三角反射原理应用于水下地形测量,基于该原理研制了微地貌三维激光地形仪。重点介绍激光三角反射原理、地形仪的组成、水下误差分析及校正。在结构设计方面,采用两轴系垂直的二维平面结构布局,利用两台伺服电机组成二维运动控制系统,通过丝杠传动带动探头实现扫描区域全覆盖,激光测量装置安装在探头上并获取高程数据,利用总线传输技术进行信号采集。在软件设计方面,基于虚拟仪器软件LABVIEW开发了三维激光测量仪测控软件。实验测试表明,该地形仪实现高精度设计要求。