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基于先验地形数据处理的水下潜器地形辅助导航方法研究

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基于先验地形数据处理的水下潜器地形辅助导航方法研究

作者：田峰敏哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

水下潜器主要使用INS来进行导航，INS不可避免的存在累积性误差，大多数潜器在航行一段时间后不得不浮到水面接收GPS信号来修正INS误差，从工作效率、可靠性和隐蔽性的角度看这种修正方法存在较大缺陷。利用水下地形高度信息为惯导系统... 详细信息

水下潜器主要使用INS来进行导航，INS不可避免的存在累积性误差，大多数潜器在航行一段时间后不得不浮到水面接收GPS信号来修正INS误差，从工作效率、可靠性和隐蔽性的角度看这种修正方法存在较大缺陷。利用水下地形高度信息为惯导系统提供修正是一种很好的方式，它使用测深声纳测量距海底距离，加上潜器惯导系统给出的潜深得出实测水深，把实测水深与先验地形图进行匹配得出状态的最佳估计值，用以修正惯导误差。本文对比了水下潜器地形辅助导航与飞行器地形辅助导航的不同，相对于陆上地形导航，水下地形导航在匹配算法具有自己的特殊性，这是本文的研究重点。本文使用求解偏微分方程的插值技术来估算任意点高程值，避免了地形线性化处理存在拟合区域大小随意、误差大的弊端。针对传统自然单元插值算法存在计算冗余、不利于实时处理的问题，提出快速自然邻点插值法(FNNI)，在寻找自然邻点和计算形函数两方面对原算法作出改进，试验表明插值结果稳定、精确度高，时间复杂度降低，能满足实时计算的要求。选择多波束声纳作为测量传感器，与传统的测量传感器单波束声纳相比它具有无可比拟的优势。地形匹配是状态方程和观测方程都是非线性的状态估计问题，采用概率准则的非线性状态估计方法处理地形匹配问题在理论上具有优势。基于长时间连续滤波的地形匹配方法不适合水下环境和潜器的特点，选择基于概率准则的极大似然估计方法作为水下潜器地形定位的方法，通过数学推导和仿真试验证明了它的合理性。

关键词：水下地形辅助导航地形数据处理自然邻点插值多波束声纳极大似然估计

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多波束水流测量中的数据处理技术

多波束水流测量中的数据处理技术

作者：丛韫东南大学

学位级别：硕士

多波束水流测量因其宽覆盖、高精度、高效率等优点,正成为声学多普勒流速测量的一个热点。由于多波束流体回波数据相比常见的固定波束ADCP更加复杂,迫切需要相适应的数据处理方法。本文针对此需求,开展基于多波束分层径向流速和回波强... 详细信息

多波束水流测量因其宽覆盖、高精度、高效率等优点,正成为声学多普勒流速测量的一个热点。由于多波束流体回波数据相比常见的固定波束ADCP更加复杂,迫切需要相适应的数据处理方法。本文针对此需求,开展基于多波束分层径向流速和回波强度数据的综合水流测量方法研究。主要工作如下:首先,简要介绍了常见的固定波束ADCP测流和多波束测流的基本原理,接着分析了多波束数据特点,进而引出数据处理的整体流程。其次,详细分析多波束水流测量过程中流速和回波强度数据的影响因素,分别提出了改善数据质量的处理方法。对于径向流速数据,建立了基于回波信号自相关分析的水中分层单元测量异常值判决因子;提出了基于块状多元回归的异常值补偿方法,并利用二维空间相关性对多波束分层径向流速进行二维滤波,以改善测量数据质量;对于回波强度数据,根据声纳方程给出了声波传播损失补偿方法,并利用高斯滤波和中值滤波联合去噪。针对水中散射体不均匀带来的数据质量差异问题,提出了基于自相关估计和回波强度联合加权因子的多波束分层数据处理方法,仿真分析验证了方法的有效性。还针对多波束流速测量中径向流速向三维坐标系流速转换出现的波束不对称问题,利用投影的方法推导出发射扇面不同侧和同侧的坐标转换矩阵,实现了基于直接矩阵转换的三维流速高分辨率测量,仿真验证了转换矩阵的正确性。再次,针对水体扰流特征分析与提取的应用需求,开展了基于声学多波束时空水体回波的扰流特征提取方法研究。利用近圆周的方法模拟出螺旋桨扰动产生的漩涡流场,提出了基于多波束分层回波二次相关以及基于多普勒频移相关的特征提取方法,并利用涡旋仿真数据验证了方法的有效性。最后,在基于以GPU为核心的硬件平台上完成了算法软件开发。针对多波束测流数据处理的多样性和独立性的特点,设计了模块化和多线程实现的处理方法。同时,利用水池实验获得的测量数据分析处理,部分验证了本文数据处理方法的有效性和正确性。

关键词：多波束声纳测流数据处理时空水体回波扰流特征

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水流场特性声学多波束测量方法研究

水流场特性声学多波束测量方法研究

作者：黄偲东南大学

学位级别：硕士

多波束声纳是一种广泛应用于海底测深领域的勘测仪器,具有宽覆盖、高效率、多功能等优点,本文将其应用于空间复杂非均匀流场的测量,提出了多波束测流的思想,并重点针对其中的适应性问题进行研究。首先,本文设计了声学多波束测流的系统... 详细信息

多波束声纳是一种广泛应用于海底测深领域的勘测仪器,具有宽覆盖、高效率、多功能等优点,本文将其应用于空间复杂非均匀流场的测量,提出了多波束测流的思想,并重点针对其中的适应性问题进行研究。首先,本文设计了声学多波束测流的系统方案。基于体积混响理论建立了阵列回波的声散射模型,模拟出复杂非均匀流场的阵列回波信号,接着进行波束形成和时间窗分层,利用复自相关算法估计多普勒频偏,进而获得水流场高分辨多波束分层径向流速的时空分布。其次,针对多波束测流的适应性问题,提出一种受层间干扰影响较小的统一分辨率高精度分层方法,并利用滑动平均法减小层间干扰的影响。通过仿真验证了系统的可行性,实现了复杂非均匀流场的测量。再次,在测得分层径向多普勒频偏的基础上,进一步研究多波束三维流速的测量方法。提出了利用两次测量扇面内任意一组对称四波束结果合成三维流速的方法,推导获得了多波束测量到三维坐标转化方法,并利用时间和空间相关性对多波束数据进行去野值和空间平滑。最后,针对近场区域波束聚焦难题,提出了多点近场聚焦波束形成的方法,改进了多波束测流方法的适用性。

关键词：多波束声纳非均匀流场体积混响空间高分辨近场聚焦波束形成

多波束声参数在海底热液区底质分类中的应用——以东太平洋海隆“宝石山”热液区为例

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海洋地质前沿 2012年第7期28卷 59-65页

作者：张国堙陶春辉李怀明刘为勇邓显明陈升国家海洋局第二海洋研究所杭州310012 国家海洋局海底科学重点实验室杭州310012

多波束声纳底质分类可以高效且全覆盖地认识海底底质类型及其分布特征。应用Simrad EM120多波束声纳对东太平洋海隆附近的"宝石山"热液区进行底质分类,一方面可以研究多波束声参数在深水热液区进行底质分类的效果,挖掘多波束声纳在海底... 详细信息

多波束声纳底质分类可以高效且全覆盖地认识海底底质类型及其分布特征。应用Simrad EM120多波束声纳对东太平洋海隆附近的"宝石山"热液区进行底质分类,一方面可以研究多波束声参数在深水热液区进行底质分类的效果,挖掘多波束声纳在海底底质分类方面的应用潜力;另一方面,通过研究热液区的底质取样、摄像以及多波束声纳资料,建立综合分析热液区底质的模式,获得热液区的底质类型及其分布特征。通过提取与底质属性相关的声纳回波反向散射强度数据,形成"宝石山"热液区的声纳图像,并结合该区域的取样与海底摄像资料,综合分析该热液区的底质类型及其分布特征,结果表明,沉积物在该热液区的喷口西侧广泛分布,在喷口周围主要是基岩与砾石的混杂底质。

关键词：多波束声纳海底热液区底质分类海底声纳图像

基于自相关估计和回波强度联合加权的多波束分层数据处理方法

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声学与振动 2023年第2期11卷 48-53页

作者：唐艳金牡丹丰少伟海装上海局驻上海地区第一军事代表室上海中国人民解放军92555部队上海海军工程大学舰船与海洋学院湖北武汉

多波束水流测量因其宽覆盖、高精度、高效率等优点,正成为声学多普勒流速测量的一个热点。由于多波束流体回波数据相比常见的固定波束ADCP更加复杂,散射体速度不一致和分布非均匀等不稳定因素将会使得部分多波束分层数据质量较低,导致... 详细信息

多波束水流测量因其宽覆盖、高精度、高效率等优点,正成为声学多普勒流速测量的一个热点。由于多波束流体回波数据相比常见的固定波束ADCP更加复杂,散射体速度不一致和分布非均匀等不稳定因素将会使得部分多波束分层数据质量较低,导致无法稳健获取流场时空分布特征。本文提出了一种基于自相关估计和回波强度联合加权的多波束分层数据处理方法,以改善数据的质量,减小测量的不确定性。仿真分析验证了方法的正确性与有效性。

关键词：多波束声纳多普勒测流散射体速度不一致散射体分布不均匀联合加权

遥控水下机器人在我省水利水电工程水下检测中的应用

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水利科技 2014年第1期 40-42,44页

作者：郑发顺福建省水利水电勘测设计研究院福建福州350001

该文介绍遥控水下机器人系统组成和技术参数,简要阐述遥控水下机器人在仙游金钟水库大坝上游面板、莆田东圳水库进水口、晋江安平桥闸上下游、仙游抽水蓄能电站工程上水库面板渗漏等工程水下检测中的应用情况,总结遥控水下机器人在我省... 详细信息

该文介绍遥控水下机器人系统组成和技术参数,简要阐述遥控水下机器人在仙游金钟水库大坝上游面板、莆田东圳水库进水口、晋江安平桥闸上下游、仙游抽水蓄能电站工程上水库面板渗漏等工程水下检测中的应用情况,总结遥控水下机器人在我省水利水电工程水下检测中的应用特点与技术优势。

关键词：遥控水下机器人水利水电工程水下检测多波束声纳水下视频

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一种基于横摇稳定的多波束测深方法

声学技术 2013年第5期32卷 368-372页

作者：陈若婷刘晓东刘治宇刘小刚董飞中国科学院声学研究所海洋技术实验室北京100190 中国科学院大学北京100190

针对阵列姿态变化造成深水多波束测深声纳测深误差问题,给出了一种基于横摇稳定的多波束测深方法。其基本思路是利用姿态数据实时地改变接收波束相控角,使得合成波束指向角稳定在较小的变化区间内,确保了波束形成后信号来自有效的波束... 详细信息

针对阵列姿态变化造成深水多波束测深声纳测深误差问题,给出了一种基于横摇稳定的多波束测深方法。其基本思路是利用姿态数据实时地改变接收波束相控角,使得合成波束指向角稳定在较小的变化区间内,确保了波束形成后信号来自有效的波束宽度覆盖范围。通过发射时刻三维姿态和接收时刻横摇姿态解算得出波达时刻对应的合成波束指向角,进行声速修正和归位计算得到最终测深点的深度与位置。MATLAB仿真和实际海试数据处理结果表明,该方法能够获得期望方向附近的海底脚印覆盖并且达到较好的精度。

关键词：多波束声纳姿态稳定测深

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声纳及设备

电子科技文摘 2000年第1期 97-98页

Y99-61805-184 0001060利用海洋浮标的海波直接声测量=Sea wave direct a-coustic measurement from an oceanographic buoy[会,英]/Bozzano,R.& Mantovani,R.//1998 IEEE O-ceans,Vol.1.—184～188(PC)Y99-61805-522 0001061平台设计与控制的数据处理(含4篇文章)=Data pro-cessing for platform design and control[会,英]//1998IEEE Oceans,Vol.1.—522～543(PC)本部分收录4篇论文。题名为:磁静化中的测量仪表:磁特征的正规化离散变换,FRV THALASSA 的声控系统:SABRINA,新集成螺旋舵系统的舵力经验预测法,以及采用神经网络故障模拟的舵伺服系统故障诊断。

关键词：神经网络数据处理故障诊断多波束声纳伺服系统经验预测法故障模拟测量仪表海洋浮标离散变换

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记录技术与设备

电子科技文摘 2000年第8期 57-58页

Y2000-62208-873 0013034海底映象(含5篇文章)=Session 7E:seafloor mapping[会,英]//1999 Oceans,Vol.2.—873～903(PC)本部分收有5篇论文。题名为:高分辨率映象与海底分类用的地声回波处理机(GEP),基于地形的水声导航用的多波束声纳... 详细信息

关键词：技术与设备图象匹配多波束声纳水声导航高分辨率传感器组处理机声回波海底映象