一种适用于深海长基线定位的自适应分层声线跟踪法

在深海定位中,声线传播距离长,声速剖面层数多,采用分层等梯度怕线跟踪法运算量大,会明显降低定位的计算效率。针对这一问题,提出了一种自适应分层声线跟踪法,根据声速梯度的变化情况对声速剖面数据进行自适应分层,保留主要声速层以减少运行时间。实验表明,该方法在保证定位精度的前提下显著地提高了计算效率。     

基于二次多项式拟合的超短基线声线修正方法

超短基线定位解算中的距离观测值是指换能器与水下应答器之间的直线距离,而海水声速的不均匀分布导致声波在海水中的实际传播路径为连续弯曲的曲线,需要结合实测声速剖面进行声线修正。根据声速在分层介质中的传播特性,本文提出了一种基于二次多项式拟合的声线跟踪算法,采用线性插值方法对声速剖面数据进行合理加密并按等深度进行分层,设定每层声速梯度是不断变化的,用二次多项式拟合声速,基于运动学原理建立了完整的数学解算模型。仿真结果表明,该方法修正后的水下目标分布具有明显的收敛性,且优于等梯度声线跟踪算法和等效声速剖面法,显著提高了超短基线水声定位系统的定位精度。     

顾及声线弯曲的横摇偏差迭代算法

横摇偏差校准是多波束水深测量测前准备的一项重要内容。针对传统多波束横摇偏差校准操作复杂且存在主观因素问题,同时考虑到横摇偏差引起海底地形失真的非线性变化,提出了顾及声线弯曲的横摇偏差自动迭代算法。该算法以平坦海底为假设,基于常梯度声线跟踪模型和最小二乘原理,对多Ping数据进行迭代拟合,最后取其平均值作为横摇偏差。仿真分析结果表明,迭代算法能逐步调整横摇偏差引起的海底地形非线性失真,提高横摇偏差计算值的准确性。     

声速剖面对多波束测深影响的新认识

介绍了声速剖面对多波束测深的影响,并得出了当声速剖面的某一节点偏大时,对边缘多波束的影响使水深偏浅,而对中央部分的波束使水深偏深;当声速剖面的某一节点偏小时,结果反之。该结果对野外资料采集及声速剖面编辑具有特别实际的指导意义。最后指出：当声速剖面出现误差时,中央波束的测深精度并不一定比其他波束的测深精度高。     

基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术

多波束测深技术是近几年比较流行的海洋勘测手段之一,其具有全覆盖、无遗漏、高精度和高效率等特点。多波束测深系统的声学原理和海水的不均匀性,使得声波在传播过程中发生声线的折射现象,对波束测点的最终位置的归算带来较大的误差。针对多波束数据后处理方法,介绍了利用等效声速剖面法对多波束测深系统的声线折射进行改正的一种新方法,并通过试验对比,证明了该方法可以提高多波束测深系统的整体测量精度。     

基于扩频通信的深海水声定位技术研究

深海空间站在母船伴随保障时面对恶劣天气存在安全风险及水下多平台作业低效的问题,传统的单一的保障船模式仅依靠超短基线等水下定位方法,水下平台定位速度慢、误差大、相互感知协作困难,已无法满足要求.提出了一种基于通信信标的深海水声定位方法,采用宽带扩频通信进行时延估计,然后利用已建立的等效声速表查找等效声速,完成声线修正,从...     

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。     

基于罗经/DVL/水声定位系统的水下组合导航方法研究

针对基于罗经/DVL航位推算系统位置误差积累的问题,研究基于罗经/DVL/水声定位系统的水下运载体组合导航定位方法,设计了组合导航方案,建立了基于航位推算系统的误差方程,在此基础上引入水声定位系统的位置量测信息,设计了卡尔曼滤波器,实现了罗经/DVL/水声定位系统的信息融合。最后对研究的方法进行了计算机仿真和半物理仿真实验。实验结果表明,该方法抑制了航位推算系统位置误差发散,且减小了水声定位数据波动幅度,实现了水下运载体的高精度导航定位。     

水下声学定位中声速改正方法的比较

介绍了水下声学定位原理以及目前常用的几种声速改正方法,提出了一种泰勒级数展开法和声线修正法组合的声速改正方法。通过模拟算例,将加权平均声速法、泰勒级数展开法、等效声速剖面法、声线修正法和组合方法进行了比较,展示声线修正法和组合方法的效果。     

时变水声信道中基于BEM的迭代信道估计技术

水声信道的多径时延扩展和时变特性对信道估计和均衡技术的研究带来了很大的挑战,同时也决定了水声信道是一种时频双扩展信道,提出一种水声OFDM通信系统中基于软信息的迭代信道估计技术,利用基于复指数基扩展模型(CE-BEM)进行信道估计。OFDM系统本身可以消除由于多径引起的符号间干扰(ISI)。基于导频的BEM信道估计,可以实现对时变信道的估计,结合基于软信息迭代的迭代均衡模块,将每次迭代生成的符号软判决信息作为辅助导频用于信道估计。同时,为了防止由于信道时变引起的信道子载波间干扰(ICI)对导频符号的影响,采用基于保护间隔的导频插入法插入导频。仿真结果显示基于BEM的软信息迭代信道估计性能较非迭代信道估计时明显提升。     

CSI feedback-based CS for underwater acoustic adaptive modulation OFDM system with channel prediction

In this paper, we investigate the performance of adaptive modulation （AM） orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） system in underwater acoustic （UWA） communications. The aim is to solve the problem of large feedback overhead for channel state information （CSI） in every subcarrier. A novel CSI feedback scheme is proposed based on the theory of compressed sensing （CS）. We propose a feedback from the receiver that only feedback the sparse channel parameters. Additionally, prediction of the channel state is proposed every several symbols to realize the AM in practice. We describe a linear channel prediction algorithm which is used in adaptive transmission. This system has been tested in the real underwater acoustic channel. The linear channel prediction makes the AM transmission techniques more feasible for acoustic channel communications. The simulation and experiment show that significant improvements can be obtained both in bit error rate （BER） and throughput in the AM scheme compared with the fixed Quadrature Phase Shift Keying （QPSK） modulation scheme. Moreover, the performance with standard CS outperforms the Discrete Cosine Transform （DCT） method.     

Blind equalization based on RLS algorithm using adaptive forgetting factor for underwater acoustic channel

Blind equalization based on adaptive forgetting factor, recursive least squares （RLS） with constant modulus algorithm （CMA）, is investigated. The cost function of CMA is simplified to meet the second norm form to ensure the stability of RLS-CMA, and thus an improved RLS-CMA （RLS-SCMA） is established. To further improve its performance, a new adaptive forgetting factor RLS-SCMA （ARLS-SCMA） is proposed. In ARLS-SCMA, the forgetting factor varies with the output error of the blind equalizer during the iterative process, which leads to a faster convergence rate and a smaller steady-state error. The simulation results prove the effectiveness under the condition of the underwater acoustic channel.     

北极冰下水声通信中改进的最小均方/四次方直接自适应均衡器

本文提出了一种适用于北极冰下水声通信的最小均方/四次方直接自适应均衡器（LMS/F-DAE）。它能处理基带复信号,与LMS相比,具有更好的均衡效果。考虑到均衡器的稀疏特性,在其代价函数中加入自适应范数（AN）作为约束。它能根据均衡器系数的大小自适应变化：对于小系数,此约束项存在以加快收敛速度;对于大系数,此约束项不存在以减小均衡误差。利用第九次中国北极科学考察得到的实验数据验证AN-LMS/F-DAE的性能。结果表明,与传统的LMS/F-DAE相比,AN-LMS/F-DAE能提升均衡器的稀疏性且均衡性能更优。     

Analysis of EMD algorithm for identification and extraction of an acoustic signal in underwater channel against wind driven ambient noise

Sonar generated acoustic signals transmitted in underwater channel for distant communications are affected by numerous factors like ambient noise, making them nonlinear and non-stationary in nature. In recent years, the application of Empirical Mode Decomposition （EMD） technique to analyze nonlinear and non-stationary signals has gained much attention. It is an empirical approach to decompose a signal into a set of oscillatory modes known as intrinsic mode functions （IMFs）. In general, Hilbert transform is used in EMD for the identification of oscillatory signals. In this paper anew EMD algorithm is proposed using FFT to identify and extract the acoustic signals available in the underwater channel that are corrupted due to various ambient noises over a range of 100 Hz to 10 kHz in a shallow water region.Data for analysis are collected at a depth of 5 m and 10 m offshore Chennai at the Bay of Bengal. The algorithm is validated for different sets of known and unknown reference signals. It is observed that the proposed EMD algorithmidentifies and extracts the reference signals against various ambient noises. Significant SNR improvement is alsoachieved for underwater acoustic signals.