AUV水下智能探测系统研究与实现
发布时间：2021-03-05 15:23
近年来自主式水下潜航器（AUV）借助电池以及智能化技术发展而快速取得突破,各国都大力发展这一新兴的水下载具,其装备数量迅速上升并严重威胁我国近海安全,因此对AUV的早期水下探测与预警愈发重要。AUV在运行时推进电机和螺旋桨会向周围水体中辐射出自身特有的声音信号,被动水声探测依靠水听器将水中声信号转换为电信号进行分类识别,是进行水下目标识别的重要手段。因此本课题主要针对AUV而研发低成本的被动水声检测系统,主要完成浅水水域的AUV自动预警以及目标分类功能。本文首先对水声探测系统的各个重要工作流程进行概述,在此基础上确定了系统的总体构成。其次,分析了声音在水中的传播模型,并根据水声传播的特点对常见的几种水听器进行对比并通过实验测量了水听器的灵敏度曲线最终完成水听器的选型。第二,对水下背景噪声和电机螺旋桨噪声进行了实际采集并进行可视化处理,分析不同噪声各自在频谱上的特点,并以此为依据使用自适应谱线增强（ALE）算法对背景噪声信号进行滤除。通过对该算法进行改进提高了收敛速度,减小了稳态误差,经处理后信号的信噪比有了明显的提高。第三,在特征提取方面,改进了小波包变换算法,提取出信号的能量特征作为...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
A9S水下自主式航行器
00千米，一旦由潜艇或其他水下航行器经过探测范围内就会启动LOFAR技术生成谱线图并由专门的技术人员将谱线图与数据库中其他的样本进行对比确定水下航行器的型号。如图1-2所示该系统主要有海底水听器阵列和地面处理中心构成，与早期的二战潜艇水听器相比，SOSUS系统采用了LOFAR技术提高信噪比能够利用深海声道达到很远的探测距离，但其识别分类仍然靠人工处理，限制了整个系统在长时间工作下的稳定性，同时其单一的检测算法在高海况条件下或者存在多种航行器同时经过的情况下识别率会急剧下降，存在识别稳定性不足的缺点。图1-2SOSUS系统示意图进入20世纪70年代，随着信号处理技术的发展，从声信号中提取的信息被进一步细化，因此频谱图中获得的信息进一步丰富。1988年，J.G.Lourens在对识别特征的分析中着重提到了螺旋桨桨叶数、螺旋桨转速、壳体低频辐射噪声、推进装置类型以及辅助电机水泵等装置的噪声区别[10]。有了这些更加丰富的信号处理方法，水下声音信号处理能力进一步提高。如图2-3所示，20世纪后期开始服役的美国洛杉矶级核潜艇[11]装备的AN/BQS-13DNA球形水听器基阵由雷声公司研发，直径达到了4.6米，作为被动声纳使用时工作频段为1-3kHz，利用海底的表面声道探测距离达到30公里，探测海底反射声波时的发现距离为40公里，探测距离最远的模式是依靠深海水声声道，此模式下的探测距离为90公里。其球型声纳阵列使用了1000多个钛酸钡原件构成的陶瓷水听器，处理系统采用了放大器，滤波与采样电路，并使用了计算机完成各项声纳功能的控制。在此阶段，海底被动声纳探测系统探测距离进一步提高，同时具备了多目标处理与多任务处理的能力。与此同时后置的信号处理算法也有了很大的进步，1998年，VaccaroRJ[12]对小波分析在水声处理中的应用进
电子科技大学硕士学位论文4变换（STFT）等，小波变换能够保留更加丰富的时频信息，时间分辨率与频率分辨率有着较好的兼顾。球形声纳由于安装位置的限制，不能够进一步增大体积来提高探测性能，为了提高探测鱼雷等小型水下潜航器的能力，自20世纪90年代以来，一些新造潜艇上开始出现侧舷阵列声纳[13]，如图1-4所示侧舷声纳是将众多的水听器以阵列的形式分布在潜艇的左右两个侧舷，利用潜艇巨大的长度来提高水听器阵列[14]的孔径，因此其水声探测性能进一步提高，其工作频段可以低至500-2000Hz，性能优秀的可以达到200Hz，探测的距离能够达到100公里左右。同时由于左右舷侧都安装有水听器阵列所以能够很容易判断噪声方位，探测能力领先于球形声纳。新一代的潜艇如俄罗斯的北风之神级、法国的凯旋级均安装有此装备。图1-3洛杉矶级AN/BQS-13DNA球形基阵图1-4凯旋级侧舷阵列声纳
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下目标多模态深度学习分类识别研究[J]. 曾赛,杜选民. 应用声学. 2019(04)
[2]硅微电容式一维矢量水听器的研究[J]. 张耀林,桂晨阳,李响. 集成电路应用. 2018(09)
[3]基于广义互功率谱相位法的声源定位技术[J]. 张传义,卢晓. 东北大学学报(自然科学版). 2018(08)
[4]基于DAVE3的英飞凌xmc系列微控制器快速开发[J]. 曹国豪,王亦诚,张朝. 电子世界. 2017(08)
[5]阵列式静电-电容传感器灵敏度特性研究[J]. 王胜南,许传龙,李健,王式民. 仪器仪表学报. 2016(09)
[6]250Hz～8kHz频率范围水听器自由场校准补充比对[J]. 陈毅,平自红,A.E.Isaev,A.N.Matveev. 计量学报. 2016 (01)
[7]基于英飞凌XMC4500的高效CAN总线数据存储系统设计[J]. 孙彦超,徐宏宇. 沈阳航空航天大学学报. 2015(06)
[8]基于证据数据分类算法的水声目标识别研究[J]. 杨蕊,王晓燕. 科学技术与工程. 2015(29)
[9]基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现[J]. 张鹏,杜彬彬,任勇峰. 电子器件. 2014(01)
[10]无人潜航器舷侧阵声呐匹配场被动定位方法研究[J]. 赵德鑫,李婷,黄芝平,苏绍璟. 湖南大学学报(自然科学版). 2013(08)
博士论文
[1]螺旋桨激振力引起的船体结构振动及水下辐射噪声特性研究[D]. 李燎原.哈尔滨工程大学 2016
[2]宽波束水声发射换能器研究[D]. 秦雷.北京邮电大学 2010
硕士论文
[1]水下运载器推进电机辐射噪声测量方法研究[D]. 张梁.哈尔滨工程大学 2016
[2]螺旋桨空化及噪声性能研究[D]. 马飞.哈尔滨工业大学 2014
[3]混浊海水声衰减初步研究[D]. 胡浩浩.中国海洋大学 2007
本文编号：3065430
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
A9S水下自主式航行器
00千米，一旦由潜艇或其他水下航行器经过探测范围内就会启动LOFAR技术生成谱线图并由专门的技术人员将谱线图与数据库中其他的样本进行对比确定水下航行器的型号。如图1-2所示该系统主要有海底水听器阵列和地面处理中心构成，与早期的二战潜艇水听器相比，SOSUS系统采用了LOFAR技术提高信噪比能够利用深海声道达到很远的探测距离，但其识别分类仍然靠人工处理，限制了整个系统在长时间工作下的稳定性，同时其单一的检测算法在高海况条件下或者存在多种航行器同时经过的情况下识别率会急剧下降，存在识别稳定性不足的缺点。图1-2SOSUS系统示意图进入20世纪70年代，随着信号处理技术的发展，从声信号中提取的信息被进一步细化，因此频谱图中获得的信息进一步丰富。1988年，J.G.Lourens在对识别特征的分析中着重提到了螺旋桨桨叶数、螺旋桨转速、壳体低频辐射噪声、推进装置类型以及辅助电机水泵等装置的噪声区别[10]。有了这些更加丰富的信号处理方法，水下声音信号处理能力进一步提高。如图2-3所示，20世纪后期开始服役的美国洛杉矶级核潜艇[11]装备的AN/BQS-13DNA球形水听器基阵由雷声公司研发，直径达到了4.6米，作为被动声纳使用时工作频段为1-3kHz，利用海底的表面声道探测距离达到30公里，探测海底反射声波时的发现距离为40公里，探测距离最远的模式是依靠深海水声声道，此模式下的探测距离为90公里。其球型声纳阵列使用了1000多个钛酸钡原件构成的陶瓷水听器，处理系统采用了放大器，滤波与采样电路，并使用了计算机完成各项声纳功能的控制。在此阶段，海底被动声纳探测系统探测距离进一步提高，同时具备了多目标处理与多任务处理的能力。与此同时后置的信号处理算法也有了很大的进步，1998年，VaccaroRJ[12]对小波分析在水声处理中的应用进
电子科技大学硕士学位论文4变换（STFT）等，小波变换能够保留更加丰富的时频信息，时间分辨率与频率分辨率有着较好的兼顾。球形声纳由于安装位置的限制，不能够进一步增大体积来提高探测性能，为了提高探测鱼雷等小型水下潜航器的能力，自20世纪90年代以来，一些新造潜艇上开始出现侧舷阵列声纳[13]，如图1-4所示侧舷声纳是将众多的水听器以阵列的形式分布在潜艇的左右两个侧舷，利用潜艇巨大的长度来提高水听器阵列[14]的孔径，因此其水声探测性能进一步提高，其工作频段可以低至500-2000Hz，性能优秀的可以达到200Hz，探测的距离能够达到100公里左右。同时由于左右舷侧都安装有水听器阵列所以能够很容易判断噪声方位，探测能力领先于球形声纳。新一代的潜艇如俄罗斯的北风之神级、法国的凯旋级均安装有此装备。图1-3洛杉矶级AN/BQS-13DNA球形基阵图1-4凯旋级侧舷阵列声纳
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下目标多模态深度学习分类识别研究[J]. 曾赛,杜选民. 应用声学. 2019(04)
[2]硅微电容式一维矢量水听器的研究[J]. 张耀林,桂晨阳,李响. 集成电路应用. 2018(09)
[3]基于广义互功率谱相位法的声源定位技术[J]. 张传义,卢晓. 东北大学学报(自然科学版). 2018(08)
[4]基于DAVE3的英飞凌xmc系列微控制器快速开发[J]. 曹国豪,王亦诚,张朝. 电子世界. 2017(08)
[5]阵列式静电-电容传感器灵敏度特性研究[J]. 王胜南,许传龙,李健,王式民. 仪器仪表学报. 2016(09)
[6]250Hz～8kHz频率范围水听器自由场校准补充比对[J]. 陈毅,平自红,A.E.Isaev,A.N.Matveev. 计量学报. 2016 (01)
[7]基于英飞凌XMC4500的高效CAN总线数据存储系统设计[J]. 孙彦超,徐宏宇. 沈阳航空航天大学学报. 2015(06)
[8]基于证据数据分类算法的水声目标识别研究[J]. 杨蕊,王晓燕. 科学技术与工程. 2015(29)
[9]基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现[J]. 张鹏,杜彬彬,任勇峰. 电子器件. 2014(01)
[10]无人潜航器舷侧阵声呐匹配场被动定位方法研究[J]. 赵德鑫,李婷,黄芝平,苏绍璟. 湖南大学学报(自然科学版). 2013(08)
博士论文
[1]螺旋桨激振力引起的船体结构振动及水下辐射噪声特性研究[D]. 李燎原.哈尔滨工程大学 2016
[2]宽波束水声发射换能器研究[D]. 秦雷.北京邮电大学 2010
硕士论文
[1]水下运载器推进电机辐射噪声测量方法研究[D]. 张梁.哈尔滨工程大学 2016
[2]螺旋桨空化及噪声性能研究[D]. 马飞.哈尔滨工业大学 2014
[3]混浊海水声衰减初步研究[D]. 胡浩浩.中国海洋大学 2007
本文编号：3065430
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