面向水下潜器隐蔽航路任务的地形可视性方法分析

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1、第1章绪论1．1课题研究背景与意义地形可视性表征了地形表面上各点能否可视与被可视的情况及相关的实际问题。它在森林防火、路线设计、通信信号、甚至军事领域都具有重要的应用价值Ⅲ。在民用上，可以用在游戏产业的场景渲染、实时漫游上，也可以用于规划通信公司的信号基站等。在军事上，地形可视性历来被用作分析地形的有利条件，也是如何在隐蔽自己的同时攻击敌人的重要理论基础。如今，地形可视性分析(TellramVisibilityAnalysis)是结合地理信息科学和计算机图形学技术，通过几何计算等数学方法形成处理地形表面各观测点或观测区

2、域可视性的方法和技术伫1。它主要包括：对具体的观测点进行可视性信息计算，以及结合已知的可视性信息进行优化分析。前者涉及到的可视性信息主要是基础信息，比如各类观测点的可视范围等问题口1。而后者面向的问题更加具体，比如通过计算得出覆盖某一区域的最少信号设备(雷达、信号塔等)的个数及覆盖方法，如何在战场上部署最佳的埋伏地点等。目前地形可视性已应用在陆地和天空的等诸多领域。在这些领域中，地形的可视与虿都是以“自然光”或“电磁波”为判断基础。但是在海洋中还没有有关地形可视性方面的应用实例，研究方案也末成体系。其实无论是地理环境，

3、还是导航方法，海洋中的水下潜器与飞行器都具有相似的航路规划特征地形可视性分析。近年来，地形可视性研究在飞机的航路规划领域中发挥了重要作用。其中飞机的航路规划是在一定条件基础上，通过衡量特定的数据指标确定飞行器从起点至终点的最优航跗41。而飞机的航路规划的目的则是通过地形信息和己知的敌情信息，规划出安全系数最大的航路懵1。因此利用飞行器航路规划的思想来解决水下潜器的相关问题从原理来说是可行的。自主式水下潜器(AutonomousUnderwaterVehicle，简称AUV)凭借其在水下作业中无需人工干预，可在远程危险和

4、未知的海洋自主导航和避碰等任务的优判61，成为了海洋资源开发的重要工具，同时在军事上也占有1席之地。近些年来，海洋大国纷纷在大学和研究机构投入大量的人力物力研究开发新型AUV，AUV已经成为水下机器人研究的发展方向，因此聚集了当今世界各国研究人员的目光。当今AUV的发展主要表现在：向远程发展——平均每次的能源补给可以提供100海里以上的航行距离；向深海发展——航行深度达到6000米；向强大功能方向发展——更强的作业能力和更智能的工作行为；向军用AUV发展——这是AUV发展的最大动力。水下潜器通常在较深的海下工作，海洋中

5、有着比陆地更复杂的地形环境。海底山脉(Oceanicrange)是指海洋ljI1000米以上的山脉，通常位于大洋的中脊和海岭。大洋·

6、

7、脊是贯穿丁．世界各个大洋的洋底山系，构造上为板块的生长扩张边界。山顶的、lc均深度1哈尔浜工程大学硕士学位论文通常为2000到3000米，宽1000到1500公里，横剖面具有双峰，双峰间为中央裂谷，谷宽数十公里，相对深度约1000到1500米。由于裂谷中不断有玄武岩岩浆溢出，使两侧板块相背分离扩张，并且洋脊的上面很少有沉积物覆盖。因此从地理构造的角度出发，海底山脉和我们通常研究的陆地上

8、的山脉具有很高的相似度。而近年来人类在水下潜器的科学研究上也有了重大突破，例如2010年8月，“蛟龙号”作为我国的第一台自行设计和研制的载人潜水器成功顺利地完成3000米级海试任务，2011年7月26日，“蛟龙”号在下潜试验中成功潜至5057米，5000米深度意味着，我们有能力到达地球70％以上的海底。同时该深度远远超过了山顶的平均深度，这预示着在不久的将来，水下潜器也可以向飞行器一样在海底山脉中穿梭。水下潜器采用声纳系统探测海下目标，其中声纳的重要性等同于陆上的雷达。从原理上分析，雷达是利用无线电技术进行侦查和测距的

9、设备，它将无线电波送出，经远距离目标点的反射，并将此能量送回到雷达。而声纳则是通过水声技术对目标进行探测，它根据接收到的声信号对目标进行定位、分析、识别以及跟踪口51。雷达和声纳的工作原理十分相似，参考飞行器的航路规划技术，水下潜器可以用相似的方法在海底山脉中进行潜水作业。因此在水下潜器的航路规划领域，引进地形可视性理论，从而形成一套针对水下潜器隐蔽航路的地形可视性研究是有可能的，也是有必要的。水下地形可视性分析与传统的可视性分析相比，虽然其形式不同，但基本的原理思想是相通的。传统可视性的研究对象是陆上的地形地貌，传播

10、介质通常是光线或雷达信息，而水下潜器的航行借助于声音的传播，两者有着相同的思路。但是声音在不同的温度、盐度和压力的分布下变化很大，同时又具有混响、回声等性质，这使得声音在传播过程中呈现多种多样的轨迹。因此，水下地形可视性分析比传统的可视性分析更加复杂。本课题提出的研究方法，结合AUV的深海探索和军用发展趋势，利用其在与陆上地形可视