一种基于环境噪声的被动测深方法

研究利用环境噪声进行水深探测的一种被动测深的方法。基于阵列信号处理,应用时域格林函数恢复原理,获取被动接收阵中接收信号所隐藏的时延信息,探索利用垂直海底传播的海洋环境噪声可实现水深探测的原理,建立了基于二元垂直阵的被动测深数学模型,分析了水听器接收到的环境噪声直达波及海底反射信号的时延与水听器阵列尺寸及海底深度间的数学关系,推导了深度解算理论公式。计算机仿真及水池实验验证了方法的有效性,为被动水深探测提供了一种新的技术途径。     

一种水声定位数据后置处理方法

文章给出了定位数学模型和递推最小二乘算法,并且讨论了数据后置处理的过程和最小二乘法在数据后置处理中的应用,最后详细介绍了水池试验数据的处理结果。实验结果表明,利用递推最小二乘法能够有效地对定位结果进行平滑处理。     

两种基于贝叶斯点估计理论的多声源定位方法研究

海洋环境参数失配是制约匹配场定位性能的主要因素之一。为了克服环境失配,本文基于贝叶斯理论,将环境参数与声源的距离和深度一起作为未知量进行反演。然而在进行多声源定位时,反演参数的维数几何增长,极大地增加了反演问题的复杂性和计算量。为此本文将声源强度和噪声方差表示成其极大似然估计值,从而将这些参数进行隐式采样,大大降低了反演的维数和难度。文章比较了两种贝叶斯点估计方法,最大后验概率密度方法和最大边缘后验概率密度方法。最大后验概率密度方法的解是令后验概率密度取得最大值的参数组合,可以利用优化算法快速获得。最大边缘后验概率密度法将其他参数积分,得到目标参数的一维边缘概率分布,分布的最大值为反演结果。该方法得到最优估计值的同时可以获取参数估计的不确定信息。在环境参数和声源参数都未知的情况下,利用蒙特卡洛法在不同信噪比情况下对两种声源定位方法进行分析,实验结果表明：(1)对于敏感参数,如声源距离、水深和海水声速,最大边缘后验概率密度法比最大边缘后验概率密度方法的性能好。(2)对于较不敏感的参数,如海底声速、海底密度和海底声衰减,当信噪比较低时,最大边缘后验概率密度方法能较好地平滑噪声,从而比最大边缘后验概率密度法具有更好的性能。由于声源距离和深度是敏感参数,研究表明最大边缘后验概率密度法提供了一种在不确知环境下更可靠的多声源定位方法。     

一种适于浅水定位的超短基线装置与定位方法

针对浅水水域水声信号多途效应导致信道衰落,真实时延信号获取难度大的问题,研制了一种适用于浅水定位的超短基线装置,并提出一种附有约束条件的互相关时延估计方法。采用脉冲挑选和时延差相位修正方法对目标轨迹进行精确跟踪定位,某湖试实验结果表明,该方法的定位轨迹光滑稳定,野点少,定位精度高。     

不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的多声源定位算法

环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一。应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点。环境聚焦方法的实质是将未知环境参数和声源位置联合优化估计,当出现多个目标时,估计的参数会随着声源个数成倍增加,因此不得不利用有限的观测信息来实现众多参数的估计。本文采用最大似然比方法,获得信号源谱和误差项的最大似然估计,实现这些敏感性较弱参数的间接反演,有效降低了反演参数维数和定位算法复杂度。针对遗传算法的早熟和稳定性差的问题,改进了似然函数的经验表达式。将多维后验概率密度在参数起伏变化范围内积分,得到反演参数的一维边缘概率分布,求解最优值的同时进行反演结果的不确定性分析。本文仿真了位于相同距离、不同深度的两个声源,使用仿真实验验证了提出算法的有效性。     

基于窗口速度平滑伪距的遥感平台定位算法

对浮空器遥感平台进行精密的控制定位是其完成对地观测、中继通信以及环境遥感等任务的关键。在自主地面测控系统对浮空器平台跟踪定位的基础上,给出加窗径向速度平滑伪距的多站跟踪定位方法。仿真结果表明:在GDOP值超过6的情况下,利用加窗速度平滑伪距方法仍能改善遥感平台定位的精度,而且能够有效地削弱测距链路中粗差的影响,从而自主地根据近地空间环境对浮空器进行控制。     

基于矩阵分解的平差解算方法研究

首先分析了法方程稳定性对平差解算结果的影响。为减弱法方程对平差解算结果的影响,采用矩阵分解方法直接对系数矩阵进行矩阵分解,以求解最小二乘最小范数解替代原来最小二乘的法矩阵求逆运算,从而克服法方程求逆造成的解算稳定性差和病态性问题。实验分析结果表明基于矩阵分解的平差解算精度和可靠性较优。     

基于多波束声线传播的声速剖面反演法

以测得的误差声速剖面作为初始猜测值,利用多波束记录到的波束传播时间和波束角等信息,通过广义线性反演得到一个与实际声速剖面比较接近的声速剖面,这有助于减少声速剖面的误差。通过理论模型计算,验证了该方法的可行性和正确性。     

基于改进LM-GN算法的磁性目标定位方法研究

利用三轴磁传感器阵列对水下磁性目标进行定位是典型的非线性最小二乘优化问题,传统高斯– 牛顿（GN）法和列文伯格–马夸尔特（LM）算法在求解该问题时具有初值敏感性问题。通过引入信赖域搜索技术,对 LM 算法进行改进,并基于改进的 LM 算法实现磁性目标定位,又通过设置判断阈值来评估迭代点与最优解的距离,提出一种结合改进 LM 算法和高斯–牛顿法特点的改进 LM-GN 算法,既降低了算法对初始值的依赖性,又提高了运行效率。仿真实验结果表明：该方法可以克服现有方法中受初始值影响较大的问题,对目标特征参数的估计更精确,且收敛速度快,具有一定的实际应用价值。     

基于PSO-LSSVM的局部海洋三维地磁场建模方法

局部海洋地磁场模型可以为水下地磁匹配导航与磁性目标探测等工作提供高精度的海域地磁背景场数据。针对目前区域地磁场模型构建方法中未考虑到高度或深度变化的影响,截断阶数难以确定及存在边界效应等问题。根据海洋磁力测量的特点,顾及磁测点高度数据,引入粒子群优化的最小二乘支持向量机法(PSO-LSSVM)构建局部海洋三维地磁场模型。在仿真与实测数据建模试验中,与Taylor多项式法、BP神经网络法及曲面样条函数法比较,结果表明,无论是在地磁变化平缓区还是复杂区,PSO-LSSVM法的建模精度均是最高的,建议在局部海洋地磁场模型构建中采用。     

空间任意多元声阵列无源定位研究

针对平面多元声阵列在被动定位和实际应用中存在的问题,提出全空间任意多元阵列定位统一模型,并利用最小二乘法和迭代法求解目标位置参数,同时分析了影响该模型定位精度的几种主要因素.数值仿真和试验结果表明,该算法可实现较高精度的目标定位,且阵列布设简单.     

一种基于时延的水下声基阵坐标估算方法

阵形估算是水听器阵列应用中的关键问题,基于时延的水下声基阵大地坐标标定方法利用声源发射和声阵接收的CW脉冲之间的时延获得空间中的三个声源发射点到阵元的距离,并以这三个声源发射点为圆心,以声源发射点到阵元的距离为半径做球面,得到的交点即为阵元的大地坐标.通过实验数据分析结果可以得出如下结论:基于时延的球面交汇法得到的阵形标定结果的绝对误差均值为0.13 m,可以把该方法运用于实际的工程测量当中.     

基于MPI+OpenMP的三维声波方程正演模拟

针对三维声波方程数值模拟的大计算量和大内存消耗问题,研究并实现了基于MPI+OpenMP的三维声波方程数值模拟并行算法,在PC-Cluster的计算节点间采用基于MPI的按炮分任务的多进程并行模式,在计算节点内采用基于OpenMP的按空间分任务的多线程并行模式,以有效地利用计算和存储资源。3D-Overthrust模型的实验结果显示,基于MPI+OpenMP的三维声波方程数值模拟并行算法的计算效率与基于MPI的按炮分任务并行计算模式相当,但其内存消耗远远低于后者,其更适合于基于大模型或实际模型的三维模拟。     

基于圆型基阵的水下声信标搜寻仪性能测试

基于声信标信号特征的快速识别技术、远距离微弱信号的快速定位技术、空域时域组合的多目标分辨技术,研发了基于圆型基阵的水下声信标搜寻仪"天科寻海一号"。通过消声水池、海上现场等试验,对其各项指标和整体性能进行了测试。该设备探测距离达3 000 m、方向分辨力达0.5°,具备同时搜寻多个声信标的能力。通过实时交会定位方法,可对大面积海域进行快速搜索及准确定位,具有重要的工程应用价值。     

A New Method for Matched Field Localization Based on Two-Hydrophone

The conventional matched field processing (MFP) uses large vertical arrays to locate an underwater acoustic target. However, the use of large vertical arrays increases equipment and computational cost, and causes some problems such as element failures, and array tilting to degrade the localization performance. In this paper, the matched field localization method using two-hydrophone is proposed for underwater acoustic pulse signals with an unknown emitted signal waveform. Using the received signal of hydrophones and the ocean channel pulse response which can be calculated from an acoustic propagation model, the spectral matrix of the emitted signal for different source locations can be estimated by employing the method of frequency domain least squares. The resulting spectral matrix of the emitted signal for every grid region is then multiplied by the ocean channel frequency response matrix to generate the spectral matrix of replica signal. Finally, the matched field localization using two-hydrophone for underwater acoustic pulse signals of an unknown emitted signal waveform can be estimated by comparing the difference between the spectral matrixes of the received signal and the replica signal. The simulated results from a shallow water environment for broadband signals demonstrate the significant localization performance of the proposed method. In addition, the localization accuracy in five different cases are analyzed by the simulation trial, and the results show that the proposed method has a sharp peak and low sidelobes, overcoming the problem of high sidelobes in the conventional MFP due to lack of the number of elements.     

基于单位四元数的小像幅面阵CCD相机检校

介绍了面阵CCD相机的径向畸变、偏心畸变模型,建立了用于非量测相机标定的扩展共线条件方程.引入了四元数姿态描述方法,利用单位四元数替代外方位角元素(ω,ψ,к)构建旋转矩阵,建立了基于单位四元数的相机标定数学模型.采用室内三维控制场对小像幅面阵CCD相机进行了标定实验,取得了优于0.2个像素的定位精度.     

基于倒置声学基阵的INSUSBL组合导航算法研究

文中关注水下潜航器导航定位时,电磁波传播途径中能量衰减、惯导系统长航时积累误差以及提高水下潜航器定位精度等问题。基于倒置的超短基线声学基阵,分析声波往返传播时间(RTT)、平面波近似方法和USBL导航解算方法及其坐标转换过程,结合INS误差方程,建立INS/USBL松组合模型。为进一步提高系统精度、动态性能和抗干扰性,考察USBL的原始斜距、斜距差以及声学基阵的空间分布信息,提出基于USBL原始输出信息的INS/USBL紧耦合组合导航方法。通过MATLAB仿真对导航算法进行验证,结果表明两种算法能充分抑制纯惯导误差随时间积累问题,且有效地估计出姿态、速度和位置误差角;其中紧耦合方法状态估计误差最小,导航参数精度相对松组合提高30%以上,对于提高水下载体导航定位精度、海洋探测具有重大意义。     

一种基于方位估计的双站被动声呐航迹关联方法

当探测区域存在多个目标时,双站被动声呐测向系统通过目标方位线交叉定位会产生多个交点,对被动声呐的测量方位进行关联即是剔除虚假交点,选择真实交点。在两被动声呐对目标方位保持连续跟踪的条件下,提出了一种利用方位预关联形成关联航迹对目标的位置和方位值进行估计,根据估计值与传感器实测方位值的偏差大小来判定预关联正确性的决策规则,结合海上实验数据仿真验证了方法的有效性。     

一种基于锚系垂直阵列的水下移动目标警戒方法

提出了一种基于锚系垂直阵列的对水下移动目标警戒的方法,论述了基于锚系垂直阵列时频瞬态特性探测和空间相关性探测的原理。利用海洋环境与目标噪声在时-频域与空间上的差异,对水下移动目标探测警戒,探测概率高且计算相对简便。垂直阵列悬挂于锚系潜标的系留缆或直接作为潜标的系留缆,布放机动灵活、适应水深范围广,可用于对水下移动目标的长周期、定点、大范围实时监测。     

基于多源数据的三维城市建模方法

以天津新港三维城市建模为例,介绍了基于二维数据、DEM和3D模型等多源数据的三维城市建模的方法和关键技术。为有效利用现有数据资源快速、准确建立三维城市模型提供了一种经济、灵活、省时、高效的方法。