基于水下小型作业平台的声探测技术分析

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1、第1章绪论1．1论文的研究背景和意义由于AUV等小型水下作业平台具有活动范围广、体积小、重量轻、噪音低、隐蔽性好等优点，因此它是一种非常有效的水下探测载体。它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种特定任务的装置，在外形上更像一艘微小型潜艇。它的自身形态是依据水下具体工作要求来设计的。目前大多数水下探测载体都是根据仿生学原理设计制造的，它的仿生主要体现在对鱼类的模仿上，目前的水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体。随着仿尘技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。上世纪60年代术和70年代初，由于中东战争苏伊士运河

2、关闭和外贸运输的需要，大型船舶激增，干船坞设备不能满足船舶的坞修需要，这使得船舶的水下维护和修理技术得到了迅速发展。由于潜水员在水下作业时，能见度低，作业强度和难度较大，潜水员容易疲劳，作业质量、效率难以保证。近年来，随着海洋开发行业的兴起，包括石油钻井和海底管路的维护与修理，水下修理技术也不断完善起来，特别是水下修理平台和水下机器人的开发，使得水下修理技术上了一个新的台阶。在国外，水下检测修理技术已经发展成为一门成熟的技术，并且不断扩大应用范围，在船舶修理方面已能解决船舶水线以下部位的清沈、除锈、涂装，故障部位钢板的焊接、切割或更换，水下装置的修理或更换等多方面的故障”1。本论文将

3、探索基于水下小型作业平台的声探测中存在的基础问题和技术难点，分析基于矢量阵的主动声探测方法和基于合成孔径的被动声探测方法。为传感器基阵应用于水下小型作业平台提供必要的理论支持和实验储备。将矢量水听器阵用于诸如AUV等小型水下作业平台进行目标探测，是本论文的创新点之一。1．2AUV国内、外研究现状AUV是一种水下机器人，人们习惯上把它称为自主式水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)，它是无缆式的水下机器人。其研制始于上世纪50年代，早期主要用于海上石油与天然气等的丌发。军用方面主要用于打捞由于试验而丢失在海底的武器(如鱼雷)，随后在水雷战中作为灭雷

4、具而得到了较大的发展。20世纪80年代术，随着微电子技术、小型导航设备、计算机技术!逻辑与软件、指挥与控制硬件以及人工智能技术等技术的迅猛发展，AUV技术及其研制也达到了一个空前的高度。此时的AUV在水下作业更加灵活，同时作业时间明显变长。此时AUV越发得到美国和加拿大等发达国家海洋军事部门的重视。到20世纪九十年代，AUV技术变的更加成熟和可靠了，此时的AUV已成为从事特定任务的可操作系统。将来的AUV将向着哈尔滨，¨鼙人学硕士学位论文小型化、混合式、群体化、远程化、智能化以及商业化的趋势发展口1。鉴于AUV对海洋开发和军事应用的重要意义，世界各国也开始了对其的研究工作。国际方面，

5、美国每年都会举办AUV矢H识竞赛以及关于AUV技术的专题研讨会。并且在水下机器人的研制和开发方面投入了大量的人力和物力。目前用于科学考察和海洋研究方面的AUV以ABE(WHOI)口1、OceanExplorerII等为代表。韩国则以OKPO26000$1]SAUV、VORAM等水下航行器为代表进行科学活动和研究。俄罗斯科学院研制的MAKS一2力AUV最大下潜深度可达11000米；加拿大用5年时间研制开发的智能潜水器TheseusAUV最大下潜深度为1000m，续航能力达36d'时以上(450km)，可铺设长达220km的水下光缆p¨41。图1．1为韩国研制的OKPO26000型AUV

6、；图1．2为加拿大的TheseusAI。_JV图1．1OKPO26000_型AUV图1．2TheseusAUV我国从1990年开始研制AUV，至2003年，我国的6000米“CR．02"号AUV已参加“大洋一号”科考船的各项试验任务，标志着我国AUV技术进入世界领先行列。借助863计划、大洋协会设备发展计划等，中科院沈阳自动化所，中科院声学研究所，哈尔滨工程大学等单位都组建了专门的水下小型作业平台研究机构巧¨甜。图1．3N我国自行研制的6000米自治水下机器人(智能水下机器人)“CR．02”号AUV。i*图1．3我国研制的“CR．02”号AUV第1章绪论水下潜器探测和导航性能的丌发是

7、近年来水下潜器研究领域的重点和热点。水下环境复杂、适合声呐的外部安装条件有限、信息获取中噪声干扰等问题使数据的处理变得困难。水下潜器的声探测和声定位是近年来新兴的一个研究领域，存IEEE的OCEAN2010国际年会上作为一个专题进行了讨论，但先进、成熟、具有突破性的水声定位技术并不多。理想条件下，矢量水听器具有可共点获取声压、振速场信息、具有空问偶极子指向性、抗各向同性干扰能力等优点。对于美国和俄罗斯两国，性能优良、工作状态稳定的矢量传感器已经用于实际工程