基于AR预测模型的船舶轴频电场实时检测方法

船舶的腐蚀和防腐电流经螺旋桨转动的调制后会在海水中产生极低频的轴频电场,并成为一种重要的目标特征信号源,但其在海洋环境中衰减较快的特点给目标检测带来了困难.通过对船舶轴频电场以及海洋环境电场噪声与测量电路自噪声的分析,提出了一种能够在低信噪比下检测船舶轴频电场的方法.从对噪声信号的预测入手建立AR模型,以该模型对电场噪...     

基于主动式轴接地系统的舰船轴频电场抵消方法

为减小轴频电场信号,基于轴频电场产生的机理对主动式轴接地(active shaft grounding,ASG)系统的原理进行了分析,并自主研制了原理样机,完成了实验室的船模试验。试验验证结果表明:所研制的ASG系统能有效地抑制滑环和碳刷接触电阻变化所引起的轴频电场信号,抵消效果可达90%以上。     

船舶水下电场的预测方法

为了实现对船舶水下电场信号目标特征的控制,提出一种信号预测的方法。对测得的信号进行小波分解并分别在静电场和轴频电场频段进行重构。对高频的轴频电场信号构建自回归预测模型,对低频的静电场信号以灰色GM(1,1)模型进行拟合。将预测结果进行叠加得到对下一时刻电场信号的预测值。实测数据对该方法的检验结果表明:用该方法对船舶水下电场进行预测,电场的预测误差在原信号幅值的20%以内。     

舰船轴频电场产生机理及控制技术

为了减小舰船轴频电场信号,在深入分析尾轴结构的基础上,建立轴频电场等效电路模型,明确碳刷和滑环接触电阻的波动是轴频电场产生的主要因素。在对主动式轴接地(Active Shaft Grounding,ASG)系统原理进行分析的基础上,研制了原理样机,并进行了实验室船模试验和海上实船试验。试验结果表明:所研制的ASG系统能有效抑制滑环和碳刷接触电阻变化所引起的轴频电场信号,抵消效果可达90%以上,且当轴地等效电阻在回路中的比例较大时,ASG系统开启后,将导致静电场信号增加。对ASG系统输出电流的影响因素进行分析,结果表明:ASG系统的最大输出电流与阴极保护状态密切相关,与航速关系不大。     

船舶轴频电场等效源强度计算方法

为了利用水平时谐电偶极子对实际船舶的轴频电场进行建模,需要确定等效偶极子的源强度和位置。针对安装有外加电流阴极保护系统的船舶,通过分析轴频电场产生的物理机理,明确了等效源是两个方向相反的水平时谐电偶极子叠加的结果。在此基础上,提出一种轴频电场等效源强度计算的实用方法,即可通过反演测量静电场得到的静态偶极子源强度、轴频电场信号包络最大值与静电场信号幅值的比例系数综合确定,且等效源位置与静电场偶极子的位置相同。船模试验证实了所提方法的有效性。     

舰船轴频电场产生机理及控制技术

为了减小舰船轴频电场信号,在深入分析尾轴结构的基础上,建立轴频电场等效电路模型,明确碳刷和滑环接触电阻的波动是轴频电场产生的主要因素。在对主动式轴接地(Active Shaft Grounding,ASG)系统原理进行分析的基础上,研制了原理样机,并进行了实验室船模试验和海上实船试验。试验结果表明:所研制的ASG系统能有效抑制滑环和碳刷接触电阻变化所引起的轴频电场信号,抵消效果可达90%以上,且当轴地等效电阻在回路中的比例较大时,ASG系统开启后,将导致静电场信号增加。对ASG系统输出电流的影响因素进行分析,结果表明:ASG系统的最大输出电流与阴极保护状态密切相关,与航速关系不大。     

源于磁性轴旋转的轴频磁场建模方法

轴频磁场因频率低、水下传播距离远的特点而成为水下探测的被动信号源。为了实现对水下目标轴频磁场的可靠探测,首先在实船试验的基础上,明确了轴频电场耦合产生的轴频磁场外还存在新的轴频磁场源;然后,在模拟轴低频磁场测量的基础上,揭示了源于磁性轴旋转的轴频磁场的产生机理,且基于旋转椭球体模型建立了磁性轴旋转轴频磁场的数学模型;最后,通过实船试验,验证了源于磁性轴旋转轴频磁场的可探测性。结果表明：在42 m距离范围外,磁通门传感器能够可靠探测磁性轴旋转产生的轴频磁场信号,该信号可成为一种新的水下探测源。     

船舶轴频电场跟踪

针对轴频电场包络跟踪中先验信息缺失的问题,研究了船舶轴频电场跟踪对传感器阵列的基本要求,引入了一种基于最大似然选择的多初值渐进更新扩展卡尔曼滤波算法。建立船舶轴频电场包络跟踪的状态空间模型,用水平电偶极子对船舶轴频电场包络进行建模;建立基于最大似然选择的多初值模型;基于轴频包络信号特征,研究了对传感器阵列排布方式的要求。仿真结果表明,利用轴频电场包络对船舶进行跟踪是可行的,要求传感器阵列至少由3个传感器组成,且3个传感器不在一条直线上;在传感器阵列满足要求的情况下,该算法可以有效解决轴频电场包络跟踪中的先验信息缺失问题,具有较高的实用价值。     

海洋低频电场传感器敏感电极材料的选择

选择了9种不同的电极材料,根据海洋环境下低频、极低频电场的自身特点,通过直流电阻、交流阻抗、电极对极差漂移3个方面对电极性能进行了测试,研究了其用于海洋环境低频电场弱信号探测的可行性,筛选出了适合海洋环境低频电场测量的电极材料,并从理论上进行了解释.结果表明,固态Ag/AgCl电极的直流电阻和交流阻抗均较小,且其极差漂移可控制在μV级,具有优良的极化效应和较低的极差漂移,是海洋环境低频电场探测的敏感电极材料.     

船舶尾流感应电场特性研究

用麦克斯韦方程推导了船舶尾流感应电磁场的两层模型计算公式,并对船舶尾流感应电磁场的特性进行了仿真分析,重点分析了尾流感应电场的水下特性。仿真结果表明:感应电场信号在水下具有频率低、距离越远幅值衰减速度越小、功率谱为线谱的特性,因此可用于船舶的远程水下探测。实测船舶电场数据表明:船舶尾流感应电场是可测的,有明显的低频特性,实测数据的量级和功率谱均与理论模型基本一致,证明了该理论模型的正确性。     

基于1.5维谱的船舶轴频电场信号实时检测

为有效地从海洋环境电场中检测出船舶轴频电场信号,在采用正态概率图法分析海洋环境电场高斯性的基础上,利用1.5维谱在抑制高斯噪声和加强谐波信号基频分量等方面的优势,提取特征频段(1～7Hz)范围内的1.5维谱的平均值为特征值,利用滑动检测方法对信号进行了实时检测,并通过实测数据对该检测算法进行验证。结果表明:该方法在信噪比较高和较低的情况下均能较好地实时检测到目标信号,并且在没有目标信号的情况下不会出现虚警。     

增量元学习IDBD算法在轴频电场信号检测中的应用

为了提高海洋环境电场背景中微弱舰船轴频电场的检测能力,针对传统的最小均方误差算法进行了改进,提出了一种基于增量元学习IDBD算法的自适应线谱增强器。利用所提算法对舰船缩比模型产生的实测轴频电场信号数据进行处理,结果表明该算法在低信噪比的情况下能够有效地将微弱轴频电场信号从宽带背景噪声中分离出来。所提算法相比于普通的自适应线谱算法,在改善信号的信噪比方面效果更加显著,且具有更快的收敛速度和更小的稳态误差,极大提高了舰船轴频电场的检测能力。     

随机共振技术在微弱舰船轴频电场信号检测中的应用

针对在强背景噪声中检测微弱舰船轴频电场信号的问题,提出了基于随机共振技术的检测方法.首先,介绍了随机共振利用噪声增强信号能量从而提高信噪比的基本原理,并在此基础上给出了利用随机共振检测微弱周期信号的模型.然后,将低信噪比的船模轴频电场测量数据输入到检测模型并对输出信号作功率谱分析,结果表明:随机共振技术能十分有效地从复杂背景噪声中检测出微弱舰船轴频电场信号,在微弱信号处理领域相比传统方法具有很大的优势.最后,结合检测实例,初步分析了系统参数对随机共振系统输出信号频谱分布的影响,为随机共振技术的进一步工程应用打下了良好的基础.     

浅海中船舶轴频电场建模方法

为了对浅海环境中的船舶轴频电场进行建模,以基本模拟单元——水平时谐电偶极子为例,根据惟一性原理结合边界条件求解赫兹矢量势。通过电磁场与赫兹矢量势的关系式,推导了其在浅海环境下在海水中产生的电磁场的计算公式。对水平直流电偶极子在三层介质下的电磁场分布进行了求解,对其在海水中产生电场的空间分布特性及通过特性进行了分析。在实验室中模拟浅海海洋环境和水平时谐电偶极子,将水平时谐电偶极子和直流电偶极子在轴频段的电场分布仿真结果与实际测量结果做对比。结果表明,时谐电偶极子实际电场分布与理论计算结果一致,证明了推导过程和所得解析表达式的正确性;水平直流电偶极子在对轴频电场的信号包络中进行求解时建模精度高,可替代水平时谐电偶极子的计算模型,且具有更高的工程实用性。     

Ag/AgCl电极自噪声的测定

为了验证固态Ag/AgCl电极能否满足对微弱海洋电场信号的探测,在对Ag/AgCl电极自噪声产生机理分析的基础上,设计了Ag/AgCl电极自噪声的测量实验.通过实验,测量了不同海水电导率下一对Ag/AgCl电极的自噪声.测量结果表明:该电极能满足船舶电场的近场测量,且其自噪声随海水电导率的增大而减小,当海水电导率增大到...     

舰船极低频电场的产生机理及其防护

舰船极低频电场由于能在海水中传播到很远的距离,而且很容易被探测到,已成为舰船的一个重要目标特性.螺旋桨转动调制舰船腐蚀电流和外加电流阴极保护系统在海水中产生的电流是舰船极低频电场的2个重要来源.质量较差的阴极保护系统(ICCP)中的电源滤波器也会导致极低频电场的产生.电磁场防护结构工艺、被动轴接地系统、主动轴接地系统和电场抵消系统是目前降低舰船极低频电场的主要方法.     

基于EKF的轴频电场幅值与相位的融合定位方法

为提高利用舰船轴频电场进行舰船定位与轨迹探测的精度,设计了一款融合轴频电场幅值信息和相位信息的扩展卡尔曼滤波器.在空间直角坐标系下,结合浅海中水平时谐电偶极子电场解析式和遗传算法建立了位置计算模型,确定了场源到场点的距离.针对舰船定位时受到各种因素的影响导致定位效果难以达到理想精度的现状,提出了融合轴频电场幅值信息和相...     

基于三稳随机共振的舰船轴频电场弱信号检测研究

针对含噪舰船轴频电场弱信号特征频率检测困难的问题,首先在引入基于三稳随机共振算法的基础上,研究了三稳系统势函数特性,并给出了三稳随机共振的临界幅值的计算方法;然后,设计了基于三稳随机共振的频率大参数信号检测方法;最后,开展了随机共振仿真分析,并对实测信号进行了轴频检测实验,结果表明:该方法能较好地分离出轴频弱信号的频率特征。     

Ag/AgCl电极水中电场探测的幅频响应特性

采用固态粉压型Ag/AgC1电极对参数已知的水下低频交流电场进行探测.通过改变水中电场信号的特征参数进行对比实验,以检测电极对信号频率和幅值的响应特性.实验结果表明:发射信号在0～4 Hz、15～35 mV的范围内时,Ag/AgCl电极的探测灵敏度随发射信号幅值的增加而增强,并且探测信号能够真实地反映发射信号的频率特征.最后,提出了电场探测电极的响应性能的表征参数.     

基于滤波与BP神经网络的水下探测信号检测算法

针对水下探测系统探测船舶磁场信号时信噪比较低的问题,首先根据磁异常信号的频域特征,设计了约束最小二乘FIR滤波器,通过对含噪信号进行带通滤波,滤除高频噪声;再采用BP神经网络对低频分量进行学习,提取船舶目标特征信号。将该算法应用于船模实测实验,结果表明:该算法可以显著提高信噪比,增强对船舶磁场信号的检测能力。