非均匀海水中电磁场辐射源定位技术研究

作     者：陈炯 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛伟;郭新奇

授予年度：2023年

学科分类：11[军事学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 1109[军事学-军事装备学] 

主      题：水下电磁辐射源 非均匀媒质 定位 收敛算法 CST建模仿真 

摘      要：水下电磁场辐射源定位技术可以广泛应用于水面舰船的电磁探测与定位、水下潜艇的电磁探测与定位、水下自主航行器主动源定位等领域,近些年来受到了很多学者的关注。基于水下电磁场的定位技术与传统水下声学定位技术具有很大的差别,在某些特殊场合具有独特的优势,增加了水下定位的途径和手段,因此,对水下电磁场辐射源定位技术进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值。论文的主要研究内容如下:1)研究了海水电导率非均匀分布的规律,详细分析了海水电导率变化对电磁场在海水中的波长、波速、趋肤深度、海水吸收损耗等相关电磁参数的影响。采用MATLAB软件对电偶极子辐射场在无限大单一均匀海水媒质中的传播特性进行了建模与仿真,为后续的水下电磁场辐射源定位技术深入研究奠定了理论基础。2)为了研究海水电导率随深度非均匀变化以及海水海底不同媒质分界面对水下电磁场辐射源定位精度的影响问题,基于CST仿真软件建立了均匀海水媒质模型、非均匀四层海水媒质模型、非均匀八层海水媒质模型、均匀海水媒质-海底模型及非均匀八层海水媒质-海底模型,并进行了仿真工作,根据仿真数据分析了不同频率水平测线和垂直测线方向上的电磁场传播特性,提取了后续定位算法所需要的数据。3)根据水下电偶极子电场强度矢量场理论计算公式,推导了电场强度幅值的表达式,提出了一种基于电场强度幅值信息的电磁场辐射源坐标全局搜索定位方法,在不同的场景下进行了定位仿真,并对仿真结果进行了误差对比分析。4)针对基于电场强度幅值信息的电磁场辐射源坐标全局搜索定位方法收敛速度慢、运算时间长的问题,引入了粒子群算法(Particle Swarm Optimize,PSO)和引力搜索算法(Gravitational Search Algorithm,GSA),一定程度上提高了定位运算效率。针对PSO易于陷入局部最优解和GSA收敛速度较慢的问题,通过改进PSO的惯性权重,进行了基于非线性惯性权重PSO的电磁场辐射源定位算法的仿真,在此基础上提出了一种改进型时变惯性权重PSO-GSA相结合的电磁场辐射定位算法,并与PSO、GSA、基于非线性惯性权重PSO算法进行了不同场景下的仿真对比分析,结果表明改进型时变惯性权重PSO-GSA相结合的电磁场辐射源定位算法在收敛速度和定位精度具有一定的优越性。