AUV水下智能探測系統(tǒng)研究與實現
發(fā)布時間：2021-03-05 15:23
近年來自主式水下潛航器（AUV）借助電池以及智能化技術發(fā)展而快速取得突破,各國都大力發(fā)展這一新興的水下載具,其裝備數量迅速上升并嚴重威脅我國近海安全,因此對AUV的早期水下探測與預警愈發(fā)重要。AUV在運行時推進電機和螺旋槳會向周圍水體中輻射出自身特有的聲音信號,被動水聲探測依靠水聽器將水中聲信號轉換為電信號進行分類識別,是進行水下目標識別的重要手段。因此本課題主要針對AUV而研發(fā)低成本的被動水聲檢測系統(tǒng),主要完成淺水水域的AUV自動預警以及目標分類功能。本文首先對水聲探測系統(tǒng)的各個重要工作流程進行概述,在此基礎上確定了系統(tǒng)的總體構成。其次,分析了聲音在水中的傳播模型,并根據水聲傳播的特點對常見的幾種水聽器進行對比并通過實驗測量了水聽器的靈敏度曲線最終完成水聽器的選型。第二,對水下背景噪聲和電機螺旋槳噪聲進行了實際采集并進行可視化處理,分析不同噪聲各自在頻譜上的特點,并以此為依據使用自適應譜線增強（ALE）算法對背景噪聲信號進行濾除。通過對該算法進行改進提高了收斂速度,減小了穩(wěn)態(tài)誤差,經處理后信號的信噪比有了明顯的提高。第三,在特征提取方面,改進了小波包變換算法,提取出信號的能量特征作為...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：94 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
A9S水下自主式航行器
00千米，一旦由潛艇或其他水下航行器經過探測范圍內就會啟動LOFAR技術生成譜線圖并由專門的技術人員將譜線圖與數據庫中其他的樣本進行對比確定水下航行器的型號。如圖1-2所示該系統(tǒng)主要有海底水聽器陣列和地面處理中心構成，與早期的二戰(zhàn)潛艇水聽器相比，SOSUS系統(tǒng)采用了LOFAR技術提高信噪比能夠利用深海聲道達到很遠的探測距離，但其識別分類仍然靠人工處理，限制了整個系統(tǒng)在長時間工作下的穩(wěn)定性，同時其單一的檢測算法在高海況條件下或者存在多種航行器同時經過的情況下識別率會急劇下降，存在識別穩(wěn)定性不足的缺點。圖1-2SOSUS系統(tǒng)示意圖進入20世紀70年代，隨著信號處理技術的發(fā)展，從聲信號中提取的信息被進一步細化，因此頻譜圖中獲得的信息進一步豐富。1988年，J.G.Lourens在對識別特征的分析中著重提到了螺旋槳槳葉數、螺旋槳轉速、殼體低頻輻射噪聲、推進裝置類型以及輔助電機水泵等裝置的噪聲區(qū)別[10]。有了這些更加豐富的信號處理方法，水下聲音信號處理能力進一步提高。如圖2-3所示，20世紀后期開始服役的美國洛杉磯級核潛艇[11]裝備的AN/BQS-13DNA球形水聽器基陣由雷聲公司研發(fā)，直徑達到了4.6米，作為被動聲納使用時工作頻段為1-3kHz，利用海底的表面聲道探測距離達到30公里，探測海底反射聲波時的發(fā)現距離為40公里，探測距離最遠的模式是依靠深海水聲聲道，此模式下的探測距離為90公里。其球型聲納陣列使用了1000多個鈦酸鋇原件構成的陶瓷水聽器，處理系統(tǒng)采用了放大器，濾波與采樣電路，并使用了計算機完成各項聲納功能的控制。在此階段，海底被動聲納探測系統(tǒng)探測距離進一步提高，同時具備了多目標處理與多任務處理的能力。與此同時后置的信號處理算法也有了很大的進步，1998年，VaccaroRJ[12]對小波分析在水聲處理中的應用進
電子科技大學碩士學位論文4變換（STFT）等，小波變換能夠保留更加豐富的時頻信息，時間分辨率與頻率分辨率有著較好的兼顧。球形聲納由于安裝位置的限制，不能夠進一步增大體積來提高探測性能，為了提高探測魚雷等小型水下潛航器的能力，自20世紀90年代以來，一些新造潛艇上開始出現側舷陣列聲納[13]，如圖1-4所示側舷聲納是將眾多的水聽器以陣列的形式分布在潛艇的左右兩個側舷，利用潛艇巨大的長度來提高水聽器陣列[14]的孔徑，因此其水聲探測性能進一步提高，其工作頻段可以低至500-2000Hz，性能優(yōu)秀的可以達到200Hz，探測的距離能夠達到100公里左右。同時由于左右舷側都安裝有水聽器陣列所以能夠很容易判斷噪聲方位，探測能力領先于球形聲納。新一代的潛艇如俄羅斯的北風之神級、法國的凱旋級均安裝有此裝備。圖1-3洛杉磯級AN/BQS-13DNA球形基陣圖1-4凱旋級側舷陣列聲納
【參考文獻】：
期刊論文
[1]水下目標多模態(tài)深度學習分類識別研究[J]. 曾賽,杜選民. 應用聲學. 2019(04)
[2]硅微電容式一維矢量水聽器的研究[J]. 張耀林,桂晨陽,李響. 集成電路應用. 2018(09)
[3]基于廣義互功率譜相位法的聲源定位技術[J]. 張傳義,盧曉. 東北大學學報(自然科學版). 2018(08)
[4]基于DAVE3的英飛凌xmc系列微控制器快速開發(fā)[J]. 曹國豪,王亦誠,張朝. 電子世界. 2017(08)
[5]陣列式靜電-電容傳感器靈敏度特性研究[J]. 王勝南,許傳龍,李健,王式民. 儀器儀表學報. 2016(09)
[6]250Hz～8kHz頻率范圍水聽器自由場校準補充比對[J]. 陳毅,平自紅,A.E.Isaev,A.N.Matveev. 計量學報. 2016 (01)
[7]基于英飛凌XMC4500的高效CAN總線數據存儲系統(tǒng)設計[J]. 孫彥超,徐宏宇. 沈陽航空航天大學學報. 2015(06)
[8]基于證據數據分類算法的水聲目標識別研究[J]. 楊蕊,王曉燕. 科學技術與工程. 2015(29)
[9]基于FPGA的超聲數據采集裝置的設計與實現[J]. 張鵬,杜彬彬,任勇峰. 電子器件. 2014(01)
[10]無人潛航器舷側陣聲吶匹配場被動定位方法研究[J]. 趙德鑫,李婷,黃芝平,蘇紹璟. 湖南大學學報(自然科學版). 2013(08)
博士論文
[1]螺旋槳激振力引起的船體結構振動及水下輻射噪聲特性研究[D]. 李燎原.哈爾濱工程大學 2016
[2]寬波束水聲發(fā)射換能器研究[D]. 秦雷.北京郵電大學 2010
碩士論文
[1]水下運載器推進電機輻射噪聲測量方法研究[D]. 張梁.哈爾濱工程大學 2016
[2]螺旋槳空化及噪聲性能研究[D]. 馬飛.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[3]混濁海水聲衰減初步研究[D]. 胡浩浩.中國海洋大學 2007
本文編號：3065430
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：94 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
A9S水下自主式航行器
00千米，一旦由潛艇或其他水下航行器經過探測范圍內就會啟動LOFAR技術生成譜線圖并由專門的技術人員將譜線圖與數據庫中其他的樣本進行對比確定水下航行器的型號。如圖1-2所示該系統(tǒng)主要有海底水聽器陣列和地面處理中心構成，與早期的二戰(zhàn)潛艇水聽器相比，SOSUS系統(tǒng)采用了LOFAR技術提高信噪比能夠利用深海聲道達到很遠的探測距離，但其識別分類仍然靠人工處理，限制了整個系統(tǒng)在長時間工作下的穩(wěn)定性，同時其單一的檢測算法在高海況條件下或者存在多種航行器同時經過的情況下識別率會急劇下降，存在識別穩(wěn)定性不足的缺點。圖1-2SOSUS系統(tǒng)示意圖進入20世紀70年代，隨著信號處理技術的發(fā)展，從聲信號中提取的信息被進一步細化，因此頻譜圖中獲得的信息進一步豐富。1988年，J.G.Lourens在對識別特征的分析中著重提到了螺旋槳槳葉數、螺旋槳轉速、殼體低頻輻射噪聲、推進裝置類型以及輔助電機水泵等裝置的噪聲區(qū)別[10]。有了這些更加豐富的信號處理方法，水下聲音信號處理能力進一步提高。如圖2-3所示，20世紀后期開始服役的美國洛杉磯級核潛艇[11]裝備的AN/BQS-13DNA球形水聽器基陣由雷聲公司研發(fā)，直徑達到了4.6米，作為被動聲納使用時工作頻段為1-3kHz，利用海底的表面聲道探測距離達到30公里，探測海底反射聲波時的發(fā)現距離為40公里，探測距離最遠的模式是依靠深海水聲聲道，此模式下的探測距離為90公里。其球型聲納陣列使用了1000多個鈦酸鋇原件構成的陶瓷水聽器，處理系統(tǒng)采用了放大器，濾波與采樣電路，并使用了計算機完成各項聲納功能的控制。在此階段，海底被動聲納探測系統(tǒng)探測距離進一步提高，同時具備了多目標處理與多任務處理的能力。與此同時后置的信號處理算法也有了很大的進步，1998年，VaccaroRJ[12]對小波分析在水聲處理中的應用進
電子科技大學碩士學位論文4變換（STFT）等，小波變換能夠保留更加豐富的時頻信息，時間分辨率與頻率分辨率有著較好的兼顧。球形聲納由于安裝位置的限制，不能夠進一步增大體積來提高探測性能，為了提高探測魚雷等小型水下潛航器的能力，自20世紀90年代以來，一些新造潛艇上開始出現側舷陣列聲納[13]，如圖1-4所示側舷聲納是將眾多的水聽器以陣列的形式分布在潛艇的左右兩個側舷，利用潛艇巨大的長度來提高水聽器陣列[14]的孔徑，因此其水聲探測性能進一步提高，其工作頻段可以低至500-2000Hz，性能優(yōu)秀的可以達到200Hz，探測的距離能夠達到100公里左右。同時由于左右舷側都安裝有水聽器陣列所以能夠很容易判斷噪聲方位，探測能力領先于球形聲納。新一代的潛艇如俄羅斯的北風之神級、法國的凱旋級均安裝有此裝備。圖1-3洛杉磯級AN/BQS-13DNA球形基陣圖1-4凱旋級側舷陣列聲納
【參考文獻】：
期刊論文
[1]水下目標多模態(tài)深度學習分類識別研究[J]. 曾賽,杜選民. 應用聲學. 2019(04)
[2]硅微電容式一維矢量水聽器的研究[J]. 張耀林,桂晨陽,李響. 集成電路應用. 2018(09)
[3]基于廣義互功率譜相位法的聲源定位技術[J]. 張傳義,盧曉. 東北大學學報(自然科學版). 2018(08)
[4]基于DAVE3的英飛凌xmc系列微控制器快速開發(fā)[J]. 曹國豪,王亦誠,張朝. 電子世界. 2017(08)
[5]陣列式靜電-電容傳感器靈敏度特性研究[J]. 王勝南,許傳龍,李健,王式民. 儀器儀表學報. 2016(09)
[6]250Hz～8kHz頻率范圍水聽器自由場校準補充比對[J]. 陳毅,平自紅,A.E.Isaev,A.N.Matveev. 計量學報. 2016 (01)
[7]基于英飛凌XMC4500的高效CAN總線數據存儲系統(tǒng)設計[J]. 孫彥超,徐宏宇. 沈陽航空航天大學學報. 2015(06)
[8]基于證據數據分類算法的水聲目標識別研究[J]. 楊蕊,王曉燕. 科學技術與工程. 2015(29)
[9]基于FPGA的超聲數據采集裝置的設計與實現[J]. 張鵬,杜彬彬,任勇峰. 電子器件. 2014(01)
[10]無人潛航器舷側陣聲吶匹配場被動定位方法研究[J]. 趙德鑫,李婷,黃芝平,蘇紹璟. 湖南大學學報(自然科學版). 2013(08)
博士論文
[1]螺旋槳激振力引起的船體結構振動及水下輻射噪聲特性研究[D]. 李燎原.哈爾濱工程大學 2016
[2]寬波束水聲發(fā)射換能器研究[D]. 秦雷.北京郵電大學 2010
碩士論文
[1]水下運載器推進電機輻射噪聲測量方法研究[D]. 張梁.哈爾濱工程大學 2016
[2]螺旋槳空化及噪聲性能研究[D]. 馬飛.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[3]混濁海水聲衰減初步研究[D]. 胡浩浩.中國海洋大學 2007
本文編號：3065430
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