水下信号处理与航行器路径规划方法

论文摘要

论文系统研究了水下航行器定位的信号处理和路径规划问题。为了确定水下航行器自身位置以及活动目标位置，论文探讨了水下信息获取、预处理、估计等问题，给出了水下信号与图像融合定位方法；在此基础上，基于三维模型研究了水下航行器路径规划问题。论文主要工作和贡献如下：（1）提出了斜坡海底的射线跟踪模型的计算方法和仿真程序方法，通过实际数据仿真曲线给出了计算结果：基于射线理论，采用用声线图计算传播损失，形象直观地给出了仿真计算结果。（2）提出了一种将非相干检测和相干检测结合在一起的新的调制方法——多载波—多相移键控（MC-MPSK）调制方法，分析了这种调制方法与传统方法相比较的优越性：给出了MC-MPSK调制方法的实际仿真结果和系统性能的分析结果。（3）为了对水下航行器和活动目标准确定位，给出了水下目标图像红外检测方法。根据最优估计理论，给出了图像融合定位估计算法。（4）提出了考虑海流影响下的区域探测规划路径规划方法、海图数据的路径规划方法；提出了基于这两种情况下全局路径规划、在线威胁规避路径规划等方面的内容。完成了数字化半物理仿真平台中的仿真管理计算机中的软件开发以及基于电子海图的AUV全局路径规划仿真。（5）建立在线规划的目标函数，以具体某水下航行器的线性化横侧向运动方程作为等式约束，利用最小值原理，构造了哈密尔顿函数进行最优航迹的解算，实现了航迹的最优控制；利用古典变分极值条件的微分方程组采用梯度迭代法和一维搜索初值方式相结合对其进行求解；垂直方向由于约束在数字预处理中已解决，则在水平规划的基础上用动态规划和树型搜索相结合的方法跟随等效数字地形。最终得到更加精确可行的三维水下航行航迹。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义与背景
• 1.1.1 水下航行器简介及其国内外发展概况
• 1.1.2 水下航行器系统路径规划方法的现状和特点
• 1.2 系统规划若干问题的讨论
• 1.3 课题研究的目的
• 1.4 研究方法的讨论
• 1.5 论文的主要工作及章节安排
• 第二章 数学基础
• 2.1 图像滤波
• 2.2.1 滑动均值滤波
• 2.2.2 中值滤波
• 2.2.3 维纳滤波
• 2.2 优化方法
• 2.3 变尺度方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 水声编码通信信道估计仿真
• 3.1 简介
• 3.2 射线理论
• 3.2.1 简述
• 3.2.2 斜坡海底的射线跟踪模型的计算
• 3.3 实际数据仿真结果
• 3.3.1 海底为平底时，不同海深情况下的声线轨迹及本征声线
• 3.3.2 不同海底地形情况下的声线轨迹及本征声线图
• 3.4 用声线图计算传播损失
• 3.5 实际数据仿真结果
• 3.5.1 海底为平底时，不同海深情况下的基于声线理论的声传播损失
• 3.5.2 海底为斜底时基于声线理论的声传播损失图
• 3.6 本章小结
• 第四章 水声远程信息传输编码技术
• 4.1 引言
• 4.2 MC-MPSK调制解调技术
• 4.2.1 MC-MPSK调制的原理
• 4.2.2 系统组成与工作过程
• 4.3 编码调制系统的关键技术
• 4.3.1 系统同步技术
• 4.3.2 多径检测技术
• 4.3.3 多载波估计技术
• 4.3.4 信道编译码技术
• 4.4 编码调制技术的性能分析
• 4.4.1 仿真条件
• 4.4.2 MC-MPSK调制仿真结果
• 4.4.3 MC-MPSK仿真结果分析
• 4.4.4 系统性能仿真
• 4.5 基于红外图像的水下目标检测和图像融合定位
• 4.5.1 各向异性扩散方程
• 4.5.2 中值滤波
• 4.5.3 仿真结果
• 4.5.4 融合定位
• 4.6 本章小结
• 第五章 水下航行器的路径规划方法
• 5.1 引言
• 5.1.1 路径规划的定义
• 5.1.2 路径规划问题的分类
• 5.1.3 路径规划问题的实现
• 5.1.4 全局路径规划方法
• 5.2 基于海流影响下的路径规划
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 海流对水下航行器运动的影响
• 5.2.3 水下航行器的作业环境
• 5.2.4 局部路径规划的主要方法
• 5.3 基于海图数据的路径规划
• 5.4 基于海图数据的路径规划仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于最优控制的水下航行器路径规划方法
• 6.1 引言
• 6.2 在线航迹规划简介
• 6.2.1 问题描述
• 6.2.2 水下航行器的运动方程
• 6.3 水平航迹规划
• 6.3.1 目标函数
• 6.3.2 约束条件
• 6.3.3 最优路径的实时规划算法
• 6.4 垂直航迹规划
• 6.4.1 目标函数
• 6.4.2 约束条件
• 6.5 算法实现
• 6.6 突然威胁出现情况下的路径寻优
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士研究生期间论文发表和科研工作情况