基于多源信息融合的浅海超低频声源目标探测关键技术及实现

以多传感器信息融合理论为指导,结合现代信息处理技术与数据驱动建模及科学计算技术,研究浅海超低频声源目标激发共存地震波的复合声场中超低频声波传播特性和数据驱动建模的水下目标深度识别等关键技术,并论证了技术实现方案及路径。结果表明:以复合矢量水听器、地震波监测仪等多传感器信息融合理论为指导研究前海超低频声源目标可以克服传统声场建模存在的问题,有助于浅海超低频声源目标探测及改善海洋水下声学监测手段。在提高声呐探测设备的测量准确度、精度方面具有重要的理论意义,对周边海域为浅海的我国海防具有实战价值。     

基于磁异常信号解析的目标速度特性研究

水下磁性目标产生的磁场成为重要的水下目标非声探测信号源,因此对水下磁性目标的静磁场建模原理开展了研究。实现了均匀磁化的旋转椭球体模型和磁偶极子模型,并对 2 种模型在目标磁异常信号仿真上的适应性进行了分析。研究表明：相比于磁偶极子模型,旋转椭球体模型在传感器与目标距离较近时也能表现很好的适应性。由此,利用旋转椭球体模型,首先通过仿真计算构建了目标在不同运动速度状态下的近距离磁异常信号数据集,然后开展基于深度学习方法的水下磁性目标运动速度识别方法研究,最后识别效果在验证集和测试集上分别取得了 0.17 m/s 和 0.74 m/s 良好的误差精度,为后续目标的航向等状态识别奠定重要基础。     

基于声呐图像的水下目标识别研究综述

水下目标识别是水下无人探测的一项核心技术,在军事和民用领域都有重要的应用。根据当前的水下目标识别研究进展,全面阐述基于声呐图像的水下目标识别原理和方法,对总结研究现状、发现存在的问题以及挖掘潜在的研究方向具有积极意义。针对基于声呐图像的水下目标识别问题,论述了图像去噪、 图像分割以及水下目标识别等方面的主要进展,阐述了基于深度学习实现声呐图像目标识别的最新技术发展现状。通过对水下目标处理过程的讨论和分析,指出基于声呐图像的水下目标识别算法中亟需解决的关键科学问题及可能的解决思路,并对该领域的未来发展方向做了进一步的展望。     

基于深度学习的声呐图像目标检测系统

声呐图像目标检测是实现水下勘探、海底救援、敌对目标侦查等任务的重要环节,深度学习相关技术的突破为该领域的发展带来了新的机遇。基于深度学习的声呐图像目标检测算法性能优于传统方法,然而相关的系统性研究与应用仍然不足。鉴于此,利用深度学习模型数据驱动的优势设计了一种声呐图像目标检测系统,以满足实际应用对系统精度、速度、可移植性、可扩展性、部署环境的需求。该系统由数据集生成、算法模型训练与测试、模型部署应用 3 个子系统组成,应用于水下可疑目标探测任务,实验结果表明：所实现的目标检测系统在测试数据上和实际应用中均具有良好的性能。     

水下图像目标检测研究综述

在海洋开发的环境下,水下物体探测技术得到广泛应用,随着水下机器人与计算机技术的发展, 该技术越来越受到研究人员的重视。根据当前的水下图像目标检测研究进展,简要介绍水下图像目标检测流程(即图像采集、图像的预处理、以及图像检测的方法),对总结发展现状、发现技术的不足及挖掘未来的研究方向有重要意义。针对基于光学图像的水下目标识别问题,论述了图像采集、图像的预处理、以及图像检测等方面的主要进展,阐述了基于深度学习实现水下图像目标识别的技术发展现状。通过对水下目标处理过程的讨论和分析,指出水下图像目标识别领域中需要解决的问题,并预测该领域技术发展趋势。     

深度学习在水声目标识别中的应用研究

水声目标识别技术是水声信号处理的重要组成部分，是水声信息获取与水声信息对抗的重要技术支撑。针对水声目标识别时探测数据量大、自动化程度不高、识别效率低下等问题，研究了深度学习在水声目标识别中的应用。首先，介绍了水声目标识别技术的研究现状及当前形势下面临的挑战。然后，对深度学习的网络结构原理及改进型进行了分析，并分别对深度学习在水声声信号识别领域和水声图像信号识别领域的应用现状做了阐述。最后，指出了由于受当前技术条件和水下复杂环境的制约，此方法尚且存在着不足之处。该方法为进一步优化深度学习算法、拓展深度学习技术应用范畴、提升水声目标识别效率提供了参考。     

作为体积目标的舰船辐射噪声建模

舰船辐射噪声是由舰船上机械运转和舰船运动产生并辐射到水中的噪声，是水下目标探测系统对运动舰船进行探测、识别的基础，亦是扫雷装备需重构的重要物理场信息，具有重要的理论和应用价值。 基于舰船辐射噪声的来源和时频空域特点，将作为体积目标的舰船辐射噪声源简化为 3 个主要噪声辐射源，建立了“三亮点” 的体积目标辐射噪声模型，在保留目标主要特征的基础上，简化了重构算法的复杂性，提高了模型的实用性，可以为实验室目标探测、识别研究和扫雷装备提供较为逼真的目标数据来源。     

水下激光线扫描探测系统的设计及试验

针对水下目标图像探测一直是困扰海洋界的1个难题，进行了水下探测的线扫描系统的设计和相关试验。从实验结果来看，线扫描系统可以很好地描述水下物体的三维外形细节，对于水下目标探测、识别十分有效。     

机载激光雷达浅水小目标探测技术综述

阐述了机载激光雷达水下探测的原理与发展,包括激光雷达水下探测原理和激光雷达水下探测发展历程。对主要机载激光雷达水下探测系统进行了详细的分析,包括主流机载激光雷达测深系统及其发展趋势。在浅水小目标探测关键技术方面,对高功率密度激光器技术、高性能水下光学系统、大视场快速成像技术、小目标自主识别与精确定位技术和轻小型化技术等进行了剖析和总结。为进一步推进激光雷达水下高精度目标探测技术的发展提供参考和依据。     

多波束系统搜救水下目标的探测深度计算

针对多波束测深系统种类、探测模式等因素影响水下目标搜索效能的问题,提出了一种面向水下目标搜索的多波束系统探测深度计算方法。分别对多波束系统等角与等距模式进行探讨,考虑波束间重叠角的影响,由多波束横向分辨率计算公式推导了 2 种模式的探测深度公式,并将不同波束角度的探测深度进行计算。经过结果比对,总结出等角模式搜索水下目标的探测能力要优于等距模式。最后结合算例,得出多波束探测能力与目标尺寸、海水深度、波束开角有关。     

一种新型水下声学浮标在目标探测中的应用

针对海上目标探测问题, 将矢量水听器和Argo浮标相结合, 可构建一种具有水中目标探测能力的新型水下声学浮标平台。该浮标平台可多次上浮和下潜, 具有在位时间长、隐蔽性能高、成本低等特点, 单台水下声学浮标即可实现海上目标探测, 利用多台水下声学浮标可快速形成大面积区域覆盖能力。为进一步验证水下声学浮标对海上目标探测性能, 2019年8月在南海海区开展了多台水下声学浮标海上试验, 数据处理结果表明: 南海夏季典型声速剖面下, 水下声学浮标对船长42m航速8.4kn的水面航船目标最远探测距离可达13.8km, 目标估计方位均方根误差最优可达5°, 在水面航船距离最近的1.9km处, 目标估计方位标准差可达2°。     

水声宽带信号波形预报技术研究

为了实现远程水下目标微弱信号检测,掌握远程传输后信号波形的特征,水声宽带信号波形预报技术是研究水下信号精细化特征研究的重要突破口之一.针对宽带信号,采用波束位移射线简正波(BDRM)频域合成波形预报算法和 BELLHOP 射线时域波形预报算法,获得宽带信号远程波形预报模型,并在浅海负跃层和深海声道两种典型海洋环境下,利用上述两种宽带波形预报算法,仿真计算了宽带信号远程波形,比较了两种波形预报算法精度.结果表明,在一定条件下,两种模型具有同等计算精度,可满足不同条件下的信号波形预报需求.     

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。     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

提高水下GPS定位精度方法研究

水下GPS定位是近几年发展起来的高新技术.承载GPS接收机的海上浮标由于受海浪的影响,使得GPS接收信号附加了海浪信息,最终影响到水下目标的精确定位.针对海浪影响水下GPS定位精度现状,提出基于样条函数的数据分频处理方法,从而有效地分离海浪引起的长周期性漂移误差和短周期性随机误差,提高水下GPS定位精度.通过对实测数据的处理,证明了该方法的有效性.     

High-frequency ambient noise and its impact on underwater tracking ranges

A theoretical model for the vertical directionality and depth dependence of high frequency (8 to 50 kHz) ambient noise in the deep ocean is developed. The anisotropic noise field at a variety of depths and frequencies is evaluated and displayed. It was found that at high frequencies and deep depths, a bottom-mounted hydrophone receives the maximum noise energy from overhead rather than from the horizontal. This leads to the consideration of an oblate hydrophone receiving response pattern for underwater tracking ranges that would provide a constant signal-to-noise ratio (SNR) for an acoustic source located anywhere in a circular area centered above the hydrophone. Two of the desirable characteristics of this type of pattern are the increase in receiving range of a bottom-mounted sensor and the decrease of the dynamic range of signals that a signal processor must handle.     

Development of a deep ocean electric autonomous manipulator

This paper describes an underwater 3500 m electric manipulator (named Huahai-4E,stands for four functions deep ocean electric manipulator in China),which has been developed at underwater manipulation technology lab in Huazhong University of Science and Technology (HUST) for a test bed of studying of deep ocean manipulation technologies.The manipulator features modular integration joints,and layered architecture control system.The oil-filled,pressure-compensated joint is compactly designed and integrated of a permanent magnet (PM) brushless motor,a drive circuit,a harmonic gear and an angular feedback potentiometer.The underwater control system is based on a network and consisted of three embedded PC/104 computers which are used for servo control,task plan and target sensor respectively.They communicate through User Datagram Protocol (UDP) multicast communication in Vxworks OS.A supervisor PC with a virtual 3D GUI is fiber linked to underwater control system.Furthermore,the manipulator is equipped with a sensor system including a unique ultra-sonic probe array and an underwater camera.Autonomous grasp strategy based multi-sensor is studied.The results of watertight test in 40 MPa,joint’s efficiency test and autonomous grasp experiments in tank are also presented.     

Survey of underwater robot positioning navigation

Underwater robot positioning and navigation achieve autonomous underwater robot movement based on the premise that positioning obtains the coordinates of the relative position of the underwater robot using a sensor, and navigation yields a known location to the destination path planning. Due to the location of an underwater robot and the complex and changing environment in which it operates, it is difficult to achieve precise positioning using the traditional positioning method. This paper systematically analyzes and summarizes several typical localization and navigation methods of underwater robots, such as multisensor information fusion technology, underwater acoustic localization and navigation methods, GPS buoy, underwater vision, SLAM and coordinate localization and navigation of multiple underwater robots. Multisensory information fusion technology integrates the advantages of the above methods, enhances the system stability and robustness, overcomes the disadvantages of traditional positioning and navigation, and enables the autonomous navigation and positioning of underwater robots. Underwater acoustics enable flexible and convenient positioning, whereas GPS can achieve high-precision and high-positioning navigation information, and visual positioning effectively overcomes the problem of error accumulation. Multirobot cooperative positioning resolves the problem of positioning failure caused by the collapse of a single system and completes complex tasks that cannot be completed by a single robot, thus enhancing the stability and robustness of the system. This paper systematically describes the realization of these methods, presents an actual analysis of their respective advantages and problems, and discusses the development of the field of research prospects and application prospects.     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。