海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430000
水下航行器动力系统循环冷却水经由排放口排出，与环境水体掺混换热形成热射流。热射流在环境水体中扩散、浮升并在水体表面形成红外特征。为探究排放口结构对水下航行器热射流红外特征的影响，文中采用仿真分析结合实验验证的方法进行研究。依托CFD计算软件平台建立水下航行器运动模型，设计不同半径比椭圆形排放口结构并对比热射流红外特征差异。通过缩比水池实验验证椭圆形排放口半径比对热射流红外特征的影响，同时验证仿真计算方法及设计参数的有效性。在椭圆形排放口的基础上，进一步设计排放口数量及分布位置，抑制热射流红外特征，提升水下航行器热隐身性能。根据仿真计算及实验结果可知，在排放流量相同的条件下，半径比越小的椭圆形排放口热射流掺混换热效果越好，红外特征越不明显。同时，增加排放口数量以及排放口分布位置采用两翼排列方式可以进一步加强热射流温度衰减，降低水面最高峰值温度。
水下航行器 热射流 排放口 结构设计 红外特征 underwater vehicle thermal jet discharge port structure design infrared characteristics 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220333
1 华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074
2 华中科技大学 研究院, 深圳 518000
3 宾夕法尼亚州立大学 电子工程系, 大学城 16802
长期以来, 空中平台与水下平台之间的有效通信一直是一个具有挑战性的课题, 因为声波或电磁波只能有效地仅在海水或空气中传播, 而无法同时在这两种介质中高效传输数据。相比电磁波, 激光束能够穿透相当深度的海水, 因而自由空间光通信被认为是一种很好的空潜通信替代手段。众所周知, 吸收和散射引起的衰减是水下激光传播主要不利因素之一, 然而这只能通过加大发射功率来补偿。尽管如此, 即使发射功率大到能够保证一定的接收机灵敏度, 大气和海洋湍流引起的光强起伏也会在很大程度上降低链路性能。本文重点研究水下载具与空中平台之间的自由空间光通信链路中的湍流效应, 利用波动光学仿真, 研究高斯光束和环形光束在空-潜两段链路中的传播, 并根据数值结果对上行链路和下行链路之间的性能差异进行了比较说明。总体来说, 由于湍流的主要部分离发射机更近, 上行链路更容易受到湍流的影响。此外, 研究中还发现环形光束往往能产生较小的闪烁指数和较高的信噪比。本项工作能够为未来的空潜光通信系统的研究和发展提供有益的参考。
自由空间光通信 环形光束 海洋湍流 无人水下航行器-无人机光学链路 波动光学仿真 free-space optical communications annular beams oceanic turbulence UUV-UAV optical links wave optics simulation
大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026
提出了基于水下自主航行器的EMCCD微光照相机驱动系统设计方法。首先，分析了EMCCD输出噪声的组成，根据暗电流噪声和时钟感生噪声的关系，给出了常规功率驱动的器件选型原则和设计方法; 讨论了使用图腾柱电路实现电子倍增驱动的功耗问题，并给出了改进方案; 使用高频系统时钟实现了驱动相位和脉宽的微调，解决了驱动时序波形幅度重叠率不足的问题; 最后,给出了使用CCD201-20搭建的水下相机结构和实验结果。实验结果表明，系统产生的常规驱动信号频率为时钟频率10 MHz，串行转移时钟的幅度重叠率优于50%，并行转移时钟的幅度重叠率优于90%，驱动信号的相位调整精度为18°,脉宽调整精度为5 ns，驱动波形稳定、平整，电子倍增驱动信号高电平可调，功耗相较于优化前降低7.2%。本文所介绍的EMCCD驱动系统设计方法充分兼顾了驱动系统的噪声、体积和功耗问题，可以广泛应用在水下微光成像乃至常规CCD领域。
电子倍增电荷耦合器件 低照度相机 CCD驱动 自主水下航行器 现场可编程门阵列 EMCCD low-light level camera CCD driver Autonomous Underwater Vehicle(AUV) Field Programmable Gate Array(FPGA) 光学 精密工程
2018, 26(10): 2605
1 海军指挥学院信息战研究系, 南京 211800
2 中国人民解放军91601部队, 福建 福鼎 355200
针对单潜艇必须进行高速机动才能对目标进行被动纯方位跟踪的问题, 提出了基于无人水下航行器(UUV)的潜艇隐蔽协同跟踪方法,该方法将无人水下航行器布置在离潜艇一定的距离, 并通过光纤与潜艇进行通信。潜艇指控系统利用潜艇和无人水下航行器获得观测的信息进行协同被动跟踪, 使得潜艇不需要进行高速机动就可以对目标进行有效跟踪。计算机仿真结果表明, 该方法相对于单艇机动具有更好的跟踪性能。
潜艇 被动跟踪 隐蔽攻击 无人水下航行器 纯方位 submarine passive tracking stealthy attack unmanned underwater vehicle bearing-only
为了保障航行器水下航行时对可见光波段光学隐蔽的需求, 以及实时测量其所在位置的光学隐蔽深度, 设计了小型化可见光波段的光学隐蔽深度测量系统。根据光学隐蔽深度模型, 优化设计了海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水漫衰减系数、海水体衰减系数的测量方法。优化设计后的系统有21个测量通道, 测量光谱为390～667 nm, 工作深度可达50 m。进行了海上试验, 试验结果显示: 在天气良好的条件下, 水下航行器在520～560 nm可见光波段内存在暴露窗口, 同时测得特征长度为0.75 m的模型的光学隐蔽深度为3.5 m。得到的结果表明, 设计的小型化可见光波段光学隐蔽深度测量系统可以实现光学隐蔽深度的测量, 测量装置具有体积小、重量轻、系统性能稳定等优点, 适用于水下航行器搭载, 可为下一步实现可自主升降的光学隐蔽深度测量系统设计提供理论技术支撑。
水下航行器 光学隐蔽深度测量系统 小型化设计 可见光波段 underwater vehicle optical concealment depth measuring system miniaturization design visible light band
1 海军潜艇学院，山东 青岛 266000
2 中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266000
3 青岛市光电工程技术研究院，山东 青岛 266000
为了实现对水下航行器光学隐蔽深度的实时测量，研制了水下航行器光学隐蔽深度测量系统。根据目标背景对比度的传输理论，分析了目标背景对比度在海水、大气、海面的传输特性，建立了水下航行器光学隐蔽深度模型。基于该模型分析了测量水下航行器光学隐蔽深度所需要的参数，设计了测量海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水体衰减性系数、海水漫衰减性系数和水下航行器表面反射率的测量方法，并完成一次海上试验。试验测得良好天气情况下特征尺度为12 m的水下航行器的光学隐蔽深度为25～35 m。试验结果表明，设计的测量系统可以实现对水下航行器光学隐蔽深度测量，并适用于各类潜艇。由于改变了传统的在水面进行深度测量的方式，该系统工作稳定可靠，提高了隐蔽性和对海域测量的准度，可为水下作战决策提供帮助。
光学隐蔽深度测量 水下航行器 目标背景 对比度 optical measurement of concealment depth underwater vehicle object background contrast ratio 光学 精密工程
2015, 23(10): 2778
中国人民解放军92941部队95分队, 辽宁 葫芦岛 125001
为适应水下导航对高精度的要求,以捷联惯性导航系统(SINS)、多普勒计程仪(DVL)和地形匹配系统(TAN)构成的水下航行器(AUV)组合导航系统为研究对象,提出了神经网络滤波技术。按照数学模型进行了仿真试验,位置误差从3″减小至1.5″,结果表明使用传感器和智能卡尔曼滤波器可以使水下组合导航系统的定位精度和自适应能力明显提高。
文字间用 号隔开空半格组合导航 BP神经网络 联邦卡尔曼滤波器 水下航行器 integrated navigation system BP neural network federated Kalman filter AUV
1 东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096
2 东南大学 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室, 江苏 南京 210096
针对复杂环境下自主水下航行器(AUV)组合导航系统中存在的模型不完全确定或者模型参数发生变化的情况, 提出一种基于期望模式修正的交互式多模型(EMA-IMM)滤波算法。该算法利用滤波估计过程中所得到的模型概率完成决策。首先对固定结构的基础网格进行滤波, 得到细化的修正模型集, 接着对修正模型集进行滤波, 得到与真实模型最为邻近的若干个修正模型网格共同构成的期望模型集, 然后将系统真实的模型覆盖在精简的期望模型集范围之中, 最后通过对期望模型集滤波, 得到接近真实模型状态变量的估计结果。在AUV组合导航系统中的仿真结果表明, 相对于传统Kalman滤波算法, 改进的EMA-IMM使AUV的经度估计精度提高了97％, 纬度估计精度提高了44%; 相对于IMM算法, AUV的经度估计精度提高了22%, 纬度估计精度提高了19%; 得到的结果验证了提出的EMA-IMM算法的优越性。
自主水下航行器 组合导航 交互式多模型 期望模式修正 Autonomous Underwater Vehicle(AUV) integrated navigation interacting multiple model expected-mode augmentation
1 西北工业大学,航海学院,西安,710072
2 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710119
基于粒子图像测速技术,设计研制了一套适用于水洞洞体内高速、封闭试验条件的流场测量与显示设备.该系统由光源、成像、图像处理与分析、控制和粒子投放等分系统组成,具有复杂环境下全流场的无接触、无扰动、高准确度测量和显示能力,流场测试误差小于2%,可为水下航行器外形设计及其改进提供相关的实测数据.
粒子图像测速技术 流场 水洞 水下航行器
