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浅海环境中用于目标深度属性判别的线谱起伏特征量分析

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物理学报 2024年第13期73卷 175-189页

作者：邓玉鑫刘雄厚杨益新西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

浅海环境中目标辐射线谱的起伏特征可用于水面、水下目标深度属性判别.已有研究未给出表征水面、水下线谱起伏差异的物理量性质,导致利用不同物理量进行目标深度属性判别时性能不佳.针对这一问题,本文从声源深度起伏所导致的线谱起伏出... 详细信息

浅海环境中目标辐射线谱的起伏特征可用于水面、水下目标深度属性判别.已有研究未给出表征水面、水下线谱起伏差异的物理量性质,导致利用不同物理量进行目标深度属性判别时性能不佳.针对这一问题,本文从声源深度起伏所导致的线谱起伏出发,采用微分方法与统计方法对线谱起伏规律进行分析,研究了线谱起伏产生的物理机理,得到了适合用于水面、水下目标深度属性判别的物理量.首先,分别推导了复声压实部、声功率与声压幅值关于声源深度的导数关系式,得到了以上三种物理量在声源深度起伏时的起伏大小;其次,利用仿真实验数据从接收深度、声源水平距离、线谱频率等层面对理论推导进行验证,并对线谱的归一化起伏特征进行了分析.最后,利用海试数据验证了相关结论.结果表明,当声源的深度起伏时,水面、水下线谱的起伏差异源自各阶模态的相互作用.声源频率、声源水平距离、接收深度三种因素决定了模态间相互作用的性质.声压幅值适用于构建目标深度属性判别特征量,可用于表征低频线谱的强度起伏差异.数值仿真和海试数据处理结果表明,相较于声压实部和声功率,利用声压幅值构建的归一化水面、水下目标深度属性判别特征量具有更优性能.

关键词：线谱起伏深度属性判别浅海环境简正波

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基于双向流固耦合的航行体高速入水研究

中国造船 2024年第1期65卷 166-175页

作者：鱼怡澜施瑶潘光西北工业大学航海学院西安710072 西北工业大学无人水下运载技术重点实验室西安710072

基于弹性体假设对直径为0.533m、以100m/s速度入水的航行体建立了高精度流固双向耦合数值模型,并试验验证了该数值模型的有效性。进行了不同角度的入水仿真,获得空泡及载荷的演变规律。主要结论如下:随着入水角减小,喷溅水幕的闭合时间... 详细信息

基于弹性体假设对直径为0.533m、以100m/s速度入水的航行体建立了高精度流固双向耦合数值模型,并试验验证了该数值模型的有效性。进行了不同角度的入水仿真,获得空泡及载荷的演变规律。主要结论如下:随着入水角减小,喷溅水幕的闭合时间推迟,空泡非对称性加剧;弹性体在入水时承受的冲击载荷峰值小于刚性体,且呈振荡衰减趋势;航行体应力峰值呈圆环形分布,应力在入水初期出现峰值并振荡衰减,而且在尾部出现应力集中;斜入水时,应力分布及头部纵向变形不对称。随着入水角的增大,应力和应变的峰值增大,应力波传播时间缩短。

关键词：高速入水流固耦合空泡冲击载荷

航行体出水过程空化结构演变与溃灭载荷特性研究

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振动与冲击 2024年第2期43卷 306-314页

作者：高山施瑶潘光西北工业大学航海学院西安710072 无人水下运载技术工信部重点实验室西安710072

高速航行体肩部附着空泡穿越自由液面过程中发生溃灭现象,将产生巨大的冲击载荷,严重影响航行体出水姿态和结构安全性。该研究采用改进型分离涡模型,建立了水下发射非定常空化特性数值模拟方法。结果表明:航行体附着空泡出水过程自上而... 详细信息

高速航行体肩部附着空泡穿越自由液面过程中发生溃灭现象,将产生巨大的冲击载荷,严重影响航行体出水姿态和结构安全性。该研究采用改进型分离涡模型,建立了水下发射非定常空化特性数值模拟方法。结果表明:航行体附着空泡出水过程自上而下发生溃灭现象,在溃灭末期收缩为较小的孤立空泡,溃灭产生的高速射流冲击结构表面;在出水过程中,水面附近的“反向旋转涡对”导致附着空泡发生了快速溃灭现象,以发卡涡为代表的壁面涡旋结构发展明显受到附着空泡的抑制;空泡溃灭末期的孤立泡产生了巨大的冲击压力峰值,对航行体结构安全性将造成巨大破坏。初期航行体迎流侧空泡溃灭行为也会导致较大的压力峰值出现。

关键词：航行体出水空泡溃灭载荷发卡涡

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一种无偏差的多通道多尺度样本熵算法

物理学报 2024年第11期73卷 46-55页

作者：李惟嘉申晓红李亚安西北工业大学航海学院西安710072 西北工业大学海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室西安710072

多通道数据采集技术的发展为复杂系统非线性动力学特性研究提供了更加丰富的先验信息.然而传统的非线性特征量只能处理单通道数据,无法直接提取多通道数据的非线性特征.近年来,有学者对多尺度样本熵算法进行了一般化处理,提出了多通道... 详细信息

多通道数据采集技术的发展为复杂系统非线性动力学特性研究提供了更加丰富的先验信息.然而传统的非线性特征量只能处理单通道数据,无法直接提取多通道数据的非线性特征.近年来,有学者对多尺度样本熵算法进行了一般化处理,提出了多通道多尺度样本熵算法.该算法不仅可以对多通道数据整体的复杂度进行表征,还可以有效提取通道内和通道间隐含的相关性信息.但是,该算法缺乏相应的理论支撑,在实际应用中无法兼顾性能和稳定性.针对以上问题,本文提出了一种无偏差的多通道多尺度样本熵算法,并利用概率论从理论上分析了多通道多尺度样本熵算法不稳定以及性能差的原因.后续的仿真实验证明改进后的算法不但可以有效地提取通道内和通道间的相关性信息,同时在处理复杂数据时表现出了良好的稳定性.该算法为诸如模糊熵、排列熵等非线性特征量的算法一般化提供了思路和理论依据.

关键词：非线性动力学多通道数据多通道多尺度样本熵

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均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

力学学报 2024年第4期56卷 928-942页

作者：刘天羽胡海豹宋健任峰西北工业大学航海学院西安710072 河南省水下智能装备重点实验室郑州450015

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之... 详细信息

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.

关键词：圆柱绕流旋转控制格子Boltzmann方法动态模态分解流动稳定性

不同厚度航行器高速入水冲击载荷及壳体变形特性

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空气动力学学报 2024年第2期42卷 111-125,I0002页

作者：赵海瑞施瑶潘光黄桥高刘晓娅西北工业大学航海学院西安710072 无人水下运载技术工信部重点实验室西安710072

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航... 详细信息

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航行器撞水阶段壳体所受冲击载荷与变形的关联性,获取了壳体变形模式,并分析了壳体厚度对变形的影响规律。结果表明:壳体内凹大变形将增大航行器所受法向载荷,载荷峰值的脉宽虽为“毫秒级”,但对壳体变形具有较大影响。入水速度较低时,壳体变形模式以弹性变形为主,变形区域在上凹和下凸间不断转换,增大壳厚,结构主要通过减小脉宽来抑制变形;入水速度较高时,壳体变形模式以塑性变形为主,依次出现内凹区、拉伸区和卷曲压缩区,随形变量增大,拉伸区不断扩张,而卷曲压缩区不断后移,其中内凹变形受斜入水影响向y+方向偏斜,而卷曲压缩区在壳厚较小时出现S形卷曲对,增大壳厚,结构主要通过减小峰值来抑制变形。航行器斜入水内凹变形非对称性的内在机理为弹性应变与塑性应变的叠加效应,当冲击能量不变时,增大壳厚提升了内凹区壳体对冲击能量的吸收能力,减小了拉伸和卷曲压缩形变量,此为总形变量随壳厚增加而减小的内在机理。本文得到的航行器入水载荷及变形结果,可为相关领域的研究提供参考与支持。

关键词：潜航器高速入水壳体厚度冲击载荷变形

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采用格拉斯曼流型的深海单帧基混响抑制方法

声学学报 2024年第1期49卷 58-66页

作者：朱云超段睿杨坤德王宁郭鸿博西北工业大学航海学院西安710072 海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室西安710072

提出了一种混响抑制方法以抑制深海环境中的混响干扰。基于时空谱矩阵中信号(混响和目标)旁瓣的低秩性与主瓣的稀疏性差异,将混响抑制问题建模为矩阵的低秩、稀疏和扰动三项分解。采用格拉斯曼流型计算混响低秩空间,并对稀疏矩阵稀疏性... 详细信息

提出了一种混响抑制方法以抑制深海环境中的混响干扰。基于时空谱矩阵中信号(混响和目标)旁瓣的低秩性与主瓣的稀疏性差异,将混响抑制问题建模为矩阵的低秩、稀疏和扰动三项分解。采用格拉斯曼流型计算混响低秩空间,并对稀疏矩阵稀疏性进行约束,提出了一种混响快速抑制方法。基于随机正交模型与随机稀疏模型仿真分析了所提方法的有效性。结合南海实测深海混响数据和目标仿真信号对所提方法的有效性进行了实验验证。结果表明,与已有的序列随机投影子空间追踪与稀疏滤波(SRPSS)方法相比,所提方法的混响抑制性能相似,但耗时减少可达55%。

关键词：混响抑制矩阵分解单帧基格拉斯曼流型

支撑刚度对水下航行器电机-推进轴系振动特性的影响规律分析及优化

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推进技术 2024年

作者：安宇晨刘静潘光西北工业大学航海学院西北工业大学水下运载技术工业和信息化部重点实验室

针对水下航行器电机-推进轴系动力学响应的影响及其优化问题，建立了水下航行器电机-推进轴系的动力学模型，模型考虑了推进电机隔振器刚度参数、推进电机内部电磁激励力、滚动轴承非线性特性、推进器动态激励力以及弹性联轴器的影响，... 详细信息

针对水下航行器电机-推进轴系动力学响应的影响及其优化问题，建立了水下航行器电机-推进轴系的动力学模型，模型考虑了推进电机隔振器刚度参数、推进电机内部电磁激励力、滚动轴承非线性特性、推进器动态激励力以及弹性联轴器的影响，分析了隔振器刚度特性对电机-推进轴系动力学响应特性的影响规律，提出了推进电机隔振器刚度参数优化流程，以推进电机振动响应为指标，建立了隔振器刚度优化目标函数，实现了隔振器刚度参数优化设计。结果表明，隔振器刚度参数优化能减少电机不平衡磁拉力引发的低频振动，使推进电机定子及转子振幅降低25.6%～65.7%。

关键词：水下航行器推进轴系电机隔振器支撑刚度刚度优化

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图网络在线异常检测跨域耦合模型优化方法

兵工学报 2024年第9期45卷 3261-3273页

作者：孙旋迪申晓红王海燕闫永胜锁健西北工业大学航海学院陕西西安710072 西北工业大学海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室陕西西安710072

图网络在线异常检测模型在导弹系统网络通信模式监控、雷达系统恶意攻击识别,以及战机控制系统网络活动监测等应用领域中发挥着至关重要的作用。该检测模型将图谱域信号处理模型与时域检测模型相耦合,其高阶非线性处理过程给以高精度检... 详细信息

图网络在线异常检测模型在导弹系统网络通信模式监控、雷达系统恶意攻击识别,以及战机控制系统网络活动监测等应用领域中发挥着至关重要的作用。该检测模型将图谱域信号处理模型与时域检测模型相耦合,其高阶非线性处理过程给以高精度检测为导向的跨域耦合异常检测的模型优化带来了巨大挑战。针对此问题,提出了一种图网络在线异常检测跨域耦合模型优化方法。该方法关注高阶非线性跨域耦合检测模型处理信号空时相关性,通过对图网络跨域耦合模型处理信号统计特性的精细推导,揭示该检测模型的空时耦合机理及耦合过程对检测性能的影响,为模型中关键参数的选择提供了依据,弥补了该领域以往仅依赖简化模型和经验进行参数选择的不足。仿真及外场试验结果表明:所提模型优化方法在确保图网络异常检测稳健性的同时,显著提高了检测准确率。

关键词：图信号处理异常检测跨域耦合空时相关性模型优化