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原创 压电陶瓷换能器导纳圆图公式推导及匹配

压电陶瓷换能器的等效电路图如下图所示，分为左右两个部分左边的电容和电阻并联构成了电路的静态支路，被称为静态电容，可以由电表很方便的测量得到，这部分的参数是由换能器的电学参数决定的。右边的串联构成了动态支路，这部分参数是由换能器的机械振动参数决定的。设静态支路的导纳为，动态支路的导纳为，则总的导纳为，有(1)(2)设，则有(3)(4)将（3）,（4）分别平方后相加，有(5)整理一下可得：(6)从（6）式可知，将不同角频率下的和。

原创 几类单波束和多波束声呐的区别

实际上所有的探测类的声呐都可以分成两大类声呐，即单波束和多波束。比如单波束测深声呐，机械扫描式声呐、侧扫声呐等这些都是属于单波束声呐，并且它们都是收发合置的（即发射和接收的基元共有）。而多波束测深声呐、成像声呐（也叫前视声呐）这是都是属于多波束声呐，且它们都是收发分置的（即发射和接收基元分开）。

原创 均值漂移(mean shift )聚类算法Matlab实现详解

Meanshift算法是基于核密度估计的爬山算法，可用于聚类、图像分割、跟踪等，其在声呐图像数据处理也有广泛的应用，笔者在网上找了一遍也没有找到关于Meanshift的matlab实现代码，找到的都是关于它的文字描述，无奈笔者只能根据网上找到的文字描述自己动手编写相关的matlab代码，现分享给大家。1、均值漂移的基本形式对于N维空间中给定的点集，则对于空间中的任意点与点集中距离小于r的点的meanshift向量为：, 而漂移的过程，就是通过计算偏移量，然后不...

原创 多波束成像声呐在不同安装角下对空间的切割方式分析

多波束成像声呐在不同的垂直安装角下对空间的切割方式是不同的，假设垂直安装角为0，即声呐自身所在平面与海平面（或者海底平面）平行，我们可以很容易的得到声呐的各个波束扇面与海底平面是相互垂直的关系，这时在所有波束下，当前波束平面与声呐设备平面的交线和当前波束平面与海底平面的交线的夹角都为0度。但是当安装角不为0时，这时只有正中间的波束扇面与海底平面是垂直的，其它方向的波束扇面将不再与海底平面垂直，非中间波束平面与声呐设备平面的交线和当前非中间波束平面与海底平面的交线的夹角将不再为安装角，而是比安装...

原创 三维空间中散点平面拟合方法推导

设空间中一组带噪声的位于某个平面的散点，对于平面方程的一般表达式，对于不过原点的平面有，于是问题就变成了求系数A，B，C使得散点尽可能的落在该平面上。下面笔者将从两种角度来推导最小二乘下的最优解。求误差函数的极小值点的方法设A，B，C为平面的最优参数，则对于每个点带人该平面表达式中存在误差，我们将所有的误差的平方进行求和则有： (1)可见误差的平方和为A,B,C的函数，我们通过观察可以...

原创 多波束成像声呐基本原理及仿真分析

多波束成像声呐是一种使用声学手段对水下的环境进行探测的设备，使用它可以得到远距离的水下环境成像结果。其利用了数字波束形成技术在一定空间范围上形成了数以百计的极窄单波束同时接收来自不同方向的反射射声波最终得到了一张二维的声学图像，每个单波束的成像结果相当于是对当前空间的一个切面的成像结果。成像的基本原理对于单个波束而言，它的成像原理如图1所示： ...

原创 Altera FPGA的自定义IP核生成详解

在进行大型的FPGA开发时，通常需要一个团队的各个人员完成不同功能的逻辑的开发，为了方便最后的系统集成，通常需要将自身开发的部分逻辑进行ip封装，然后可以很方便的以ip核调用的方式嵌入到其它的逻辑当中，最终完成一个大型的FPGA项目的开发。本文以Quartus 16.1版本为例进行讲解，首先点击Tools->Qsys出现如下界面：然后在该界面上点击File->New Component出现如下界面：下面对里面的参数进行设置，首先是Component Type界面，按...

原创 短基线(SBL)差分定位原理及仿真分析

采用差分定位方式的短基线仅需要4个水听器即可实现定位，同时还不需要同步时钟，简化了系统设计，这是它的优点；但是，它的缺点也是显而易见的，其定位精度很低，且存在定位误差极大的“死点”。本文笔者将详细的分析利用四个水听器实现差分定位的原理及其误差分析。定位原理 首先我们假设水听器阵阵形为长方形，阵中心为坐标原点，四个水听器及信标的分布如图1所示。我们列出关于斜距r1、r2、r3、r4的方程，有：...

原创 利用多个深度计解算水下机器人姿态的方法原理分析与仿真

姿态仪作为水下机器人系统中一个重要传感器，它的重要性不言而喻，它是水下机器人实现自稳控制的关键传感器。目前在低成本的水下机器人系统中常常采用低成本的mems姿态仪，它主要是通过融合加速度计、角速度计和磁力计来实现对三维空间的姿态信息测量。它的优点是体积小、低成本，但是当水下机器人进行高速机动时，其自身的加速度变化非常大，导致mems姿态仪的姿态输出不稳定和真值相差较大。为了解决这个问题，本文提出了一种利用多个深度计来测量机器人的横滚角和俯仰角的方法，该方法可以不受机器人机动的影响，从而实现稳定...

原创 SLAM算法中的地图构建问题

早期的SLAM假设真实的世界可以被理所应当的建模成一个由简单离散的路标构成的集合，这些路标通过一些几何特征，例如点、线或者圆圈来表示。在更加复杂且没有结构的环境里，室外的，地下的，海里的，这一假设通常不能够成立。...

原创 SLAM算法中的数据关联问题

数据关联一直是SLAM实际应用中一个非常重要的问题。

原创 SLAM算法的计算效率及其高效算法

同步定位与构图是一个移动机器人建立环境地图的同时利用建立的地图来计算自己位置的过程。

原创 SLAM问题的解决方案

概率SLAM问题的解决方案是设计找到一个合适的对观察模型(2)和运动模型(3)的陈述，使得能够高效连续的计算式(4)和(5)的先验和后验概率分布。到目前为止，最常见的表述是在状态空间模型中的一种形式，其带有加性高斯噪声，进而导致了采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)来解决SLAM问题。另外一种重要的表述是将(3)中的机器人运动模型的描述成一系列样本点，这些样本点更具有更一般性，是非高斯概率分布。这导致了使用Rao-Blackwellized粒子滤波器，或者叫FastSLAM算法，来解决SLAM问题...

原创 SLAM问题的形式和结构

SLAM是移动机器人建立环境的地图同时演绎出自己位置的过程。在SLAM中，平台的轨迹和所有地标的位置都是在线估计的，不需要任何位置的先验知识。准备工作 考虑移动机器人运动经过一个环境使用安装在机器人上面传感器对大量未知的路标进行相对观测，如图1所示。在时刻k，定义如下变量：：描述机器人位置和姿态的状态向量。：控制向量，被用于在k-1时刻驱动机器人到k时刻的状态向量：描述第i个路标位置的向量，它们的真实位置假定为静止的。：在k时刻机器人观测到的第i个路标...

原创 SLAM的起源及发展现状

SLAM的英文全称为Simultaneous Localization and Mapping，中文意思是同步定位与构图。主要是由Hugh Durrant-Whyte和Tim Bailey这两位大神教授完成的杰作。SLAM问题回答了对于一个被放置在未知位置的未知环境中的移动机器人来递增的构建周围环境的连续性地图并同时估计自身在地图中的位置是否为可行的。SLAM问题的解决方案被视为移动机器人领域的“圣杯”，因为它实现了机器人真正意义上的自主性。 在过去的十年里，SLAM问题...

原创 求解任意阶数实数方阵的逆的C语言实现详解

在一些需要用单片机、DSP、ARM等系统中用C语言实现高维滤波器的场合，例如卡尔曼滤波器，我们会经常遇到用C语言求解方阵的逆的情况，当阶数为2阶或者3阶的时候我们可以用公式法直接求解，但是当阶数一旦达到4阶或者4阶以上时利用公式求解将会非常的麻烦，而且极易出错，这时我们需要寻求一种可以求解任意阶数的算法。由线性代数的知识可以知道求任意阶数矩阵逆矩阵有2种算法，一种是初等行（列）变换，一种是伴随矩阵法。其中初等行（列）变换由于需要进行行（列）的加减或交换，以及乘上（除以）非零的数这3种步骤，且顺...

原创 任意阶数实数方阵的行列式的值的C语言实现详解

算法描述 对于一个N阶的方阵，则它的行列式的值为，这里我们引入余子式的概念，在线性代数的课本中它的定义如下：在N阶行列式中，把元素所在的第i行和第j列划去后，留下了的N-1阶行列式叫元素的余子式，记作。则方阵A的行列式可以表示为。对于式子里头的，它是一个N-1阶的行列式，我们可以按照上述的方法进一步的分解，得到N-2阶的行列式，然后再分解得到N-3阶行列式，一直分解到2阶的行列式，这时2阶的行列式就变的非常的好求了，即，从这里我们就可以看到这是一个递归求解的过程，因此可以非常方便的用C语言...

原创 水下机器人二维变速圆周运动的SBL定位EKF滤波仿真分析

水下机器人在水下想要获得定位信息目前主要是基于声学方式的长基线(LBL)、短基线(SBL)、超短基线(USBL)获得局部定位数据，还有通过地磁场或者重力场匹配导航的方式，这类方式目前仅限于军事领域。当然还有最近热门的水下SLAM定位导航的方式，需要借助图像声呐或者光学摄像头获取周围环境的特征进行同时建图与导航，这种方式不需要借助外部的信息即可实现定位，是目前的研究热点，但此类方式需要进行大量的计算，同时要求周围的水域有明显的特征（也称为landmark）才能获取更加准确的定位结果，技术难度较...

原创 Cyclone IV系列FPGA串口远程烧写详解

首先关于Cyclone IV系列的配置和远程系统更新需要阅读《Configuration and Remote SystemUpgrades in Cyclone IV Devices》这个手册，该手册在官网上可以找到。阅读这个手册可以了解到有关Cyclone IV的配置方式，如并行方式PS方式，串行方式AS这两种，以及主被动配置。还有就是配置的整个流程。这里笔者研究的是AS方式的主动配置，即通PC把配置文件通过串口发送到FPGA上然后FPGA通过一段小逻辑将接收到的文件写入到EPCS存储器里...

原创 超声换能器的主要性能指标

描述超声换能器的性能指标有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、品质因数、方向特性、发送功率、效率、灵敏度等。根据实际用处不同，以及使用场合的不同对不同的换能器性能提出不同的要求，例如对军事上用的换能器与对超声测量仪用的换能器所提出的要求不一样，对发射和接收用的换能器所提出的要求也不一样。1 发射换能器和接收换能器共同要求的性能指标1.1 工作频率 超声换能器...

原创 单精度浮点乘累加运算的FPGA流水线逻辑实现分析

在利用FPGA进行卷积运算时会大量用到乘累加单元，如果用定点的方式则逻辑实现相对简单，原因是定点的加法运算是利用组合逻辑电路来实现的没有时钟延迟，这就使得加法器的输出在下一个时钟采样沿到来时立即反馈到输入端，从而可以连续的相加并最终得到累加结果。这是定点实现的优势，但是对于精度要求较高的场合，定点的方式显然不能满足要求，所以采用浮点的方式是必须的。而我们知道浮点的乘法逻辑和加法逻辑输...

原创 单精度浮点数加法器FPGA实现------（异号相加）

在上一篇博客单精度浮点数加法器FPGA实现------（同号相加）中笔者介绍了单精度浮点数同号相加的FPGA逻辑实现，本次笔者将继续介绍异号相加的逻辑，下面给出verilog代码：module FP_ADD_diff_oper //不同符号的浮点数据相加( input wire MAIN_CLK, input wire [31:0] a, input ...

原创 单精度浮点数加法器FPGA实现------（同号相加）

笔者这些天在研究如何用FPGA实现浮点的乘累计运算，关于浮点的乘法可以调用现成的IP核，而浮点的加法虽然有现成的IP核，但是输出时钟延迟太大，以及将输出反馈到输入端时会使系统的主时钟频率急剧降低，使整个系统能够运行的速率很低，虽然笔者针对这一问题尝试了一些补救措施，比如在输出加一级reg进行缓冲，但是没有什么效果。无奈之下笔者选择了自己编写单精度浮点加法器逻辑，终于成功的解决了上述...

原创 短基线(SBL)定位原理及误差模型分析

原创 关于Altera多通道FIR II滤波器使用详解

首先给出FIR II IP核的Avalon-ST接口的各信号定义以上是所有的信号线说明。下面我们打开FIR II IP核的界面首先我们在Filter Specifcation界面下，一般我们需要配置的是红色框1、2、3中的内容，其中红色框1是来设置通道的个数的这里我们有192个通道，红色框2是设置模块的工作频率的这里设置为96MHz，红色框3为设置单个通道的数据率的...

原创 声呐信号形式及工作参数选择的基本原则

声呐信号的主要工作参数有三个：工作频率、信号时间宽度T和信号的带宽B。1、工作频率的选择 工作频率的选择是根据介质的传播条件、环境、目标特性及指向性要求等因素来综合确定的。当工作频率提高时，由介质吸收造成的信号衰减增大，使得作用距离降低。然而工作于高频的声呐，其基阵易于实现窄带指向性，抑制噪声的能力增强。此外，高频环境噪声降低，有利于增加声呐的作用距离。因此，声呐的工作频率选择...

原创 大话水声通信技术---（BFSK仿真）

在之前的理论篇中，笔者梳理了水声通信相关的理论知识体系。本次笔者给出了一套基于BFSK的水声通信系统，该系统已经在实际的硬件中得到了验证。%******************************通信声呐仿真BPSK方式**********************%几点假设：%（1）基于射线声学理论%（2）几何衰减按球面波传播衰减规律衰减，不考虑吸收衰减%（3）考虑...

原创 描述流体中声学物理现象的三个基本方程

流体介质是由气体和液体抽象出来的的介质模型。其力学特征是，介质中相互接触的质团间有相互作用力，接触面微元上的相互作用力，大小正比微元面积，方向垂直于接触面微元，如图（1）所示。因而，面元上的受力与间可用标量P联系：；这个标量P就是流体中的压强。流体的这个力学特征是流体中只存在纵波的原因。流体的另一个特征，是物质空间分布的连续性，即，介质中质团连续分布无间隙。作为传播声波的流体介质，还有...

原创 水下声学的基本声学量介绍

声，有两个含义，一是值空气中的振动传入人耳引起耳膜振动刺激听觉神经产生的感觉，这个‘声’可理解为单词‘声音’的简略；声的另一个是指介质中机械振动的传播，这个‘声’可理解为单词‘声波’的简略。本文中所用声的含义是指声波，是物理学中的概念。 振动频率是振动的特征量；声作为介质中机械振动的传播，可用振动频率将声分为：超声频声（简称超声），频率高于20KHz的声波；音频声，频...

原创 DVL声学多普勒速度仪技术剖析（理论仿真篇）

     声学多普勒速度仪（DVL）是一种测量相对于水底速度的声纳设备。早年DVL一开始被设计主要是用于船舶的定位导航中，但是近年来随着水下机器人领域，尤其是民用领域的兴起（据有关机构测算这一市场规模已达100亿美元），DVL的作用显得愈发重要，因为水下机器人想要在水下实现自主导航有三样东西必不可少，一个是姿态测量单元，一个是速度测量单元，一个是位置测量单元。姿态测量单元通常是通过MEMS惯导元件...

原创 浅谈水下声速剖面及声线追踪算法

    在水下定位和探测中，声线（即声波的主轴传播方向）往往不是由发射端沿直线传播至接收端，而是沿着曲线传播至接收端，出现这一现象的原因是由于有声速剖面的存在。当声速剖面理想时，即水中每点处的声速是不变的，这时声波是沿着直线由一点传播至另一点；当声波穿越两层不同声速的水层时，声波就会发生折射现象，这和光的折射现象是一致的，具体来讲，设声波的入射角为A1，入射层声速为C1；折射角为A2，折射层声速为...

转载 浮点数的二进制表示

目前C/C++ 编译器标准都遵照IEEE 制定的浮点数表示法来进行float,double 运算。这种结构是一种科学计数法，用符号、指数和尾数来表示，底数定为2—— 即把一个浮点数表示为尾数乘以2 的指数次方再添上符号。

原创 大话水声通信技术---（理论篇）

水声通信（Underwater Acoustic Communication, UWA Communication）具有灵活、方便、经济、不存在电缆缠绕等特点，可实现导航、定位、信息交换、通信联络和安全保障所需的信息传输，是实现水下综合信息感知与信息交换的主要手段。在信息化海洋数据采集、海洋资源开发、海洋环境监测等关系到我国可持续发展的商业战略领域中，水声通信扮演者重要的角色。

原创 PWM调制原理及仿真

在日常的生产生活中人们使用的电子功率放大器一般分为线性功率放大器和非线性功率放大器两大类。其中线性功率放大器易于实现，不会产生除信号外的其它频率成分，具有高保真的特点，但是它的缺点就是效率底下，在大功率的时候需要加装大面积的散热片来进行散热，这样不利于体积小型化。而非线性功放是要将输入的信号进行调制，因此产生了一些除了信号本身外其它的频率成分，而这些频率成分一般都是高于信号本身的频率的，因此需要在

原创 浅水声信道模型的建立

声波作为目前已知在水下能够远距离传播的媒介，因此其在水下的通信、导航、探测等领域得到了广泛的应用。虽然电磁波在水下也能传播，但是其在水下衰减非常的严重，一般只能传播几米远，但是声波却可以传播几百甚至是上千公里。因此可以使用声波在水下进行通信，然而在水下通信时的信道要远比电磁波在空气中通信是的信道复杂的多，为了有效的在水下进行通信需要对水下的信道进行建模。

原创 水声目标识别中的 K-D 树 KNN-SVM分类器研究

常规的KNN-SVM联合分类器中K-近邻算法没有充分挖掘训练样本的信息，使用遍历的方法来计算待识别样本与训练样本之间的距离，特别是在训练样本巨大时，存在大量的冗余计算。针对该问题，将训练样本训练成K-D树的结构，设计了K-D树KNN-SVM分类器，该分类器可以大大的减少这些多余的计算，从而提高了搜索效率，有效缩短了搜索时间。进行了仿真和实验研究，分别设计了KNN、SVM、KNN-SVM分类器对两类水下目标进行了分类识别，并对相关参数的选取进行了优化。实验结果表明：在选定了最佳参数后的KNN-SVM联合分类器

原创 平面二维任意椭圆数据拟合算法推导及程序实现详解

在刚刚过去的2017全国大学生数学建模比赛中，笔者有幸指导了一组本科学生参赛。对于赛题A《 CT系统参数标定及成像》中的CT系统参数标定，经过将问题进一步的提炼，问题最终变成了在平面二维空间中对任意椭圆进行拟合的问题，笔者花了大概四个小时的时间建立了该问题的数学公式表达、并推导出了求解该问题的算法、同时编写了实现该算法的Matlab程序。

原创 一种修正观测分布的迭代算法

在上一篇博客《图像恢复迭代算法的加速》中，提到了R-L迭代算法，此算法的核心思想源自条件概率贝叶斯理论，此文对该理论进行了详细的推导，并给出了严格的证明。

原创 图像恢复迭代算法的加速

Richardson–Lucy算法是一个在泊松噪声背景下用于图像恢复的迭代技术。其旨在通过使用期望最大化算法来使恢复图像的似然性最大化。该算法需要对图像退化的过程进行良好的估计，以实现精确恢复。导致图像模糊的原因有很多，例如目标移动，离焦透镜，或着大气湍流，这些都是可由系统的点扩散函数（PSF）来描述。 一般的Richardson–Lucy算法收敛到最终的结果需要很多次的迭代，这限制了其在某些时间紧张型场合的使用。因此出现了许多的加速算法，David S. C. Biggs 和Mark

原创 水平线阵的反卷积常规波束形成

在常规的波束形成中，是将阵列上的每个接收机的同时刻数据乘上一个预设的系数然后求和并最终得到一系列的具有特定指向性的波束。但是由此得到的波束它的主瓣宽度很宽而且旁瓣衰减有限，能量泄漏很严重。为了解决这些问题，许多的学者提出了一些高分辨的波束形成算法，MVDR和DMR就是其中的代表。然而这些算法虽然能够得到很窄的波束宽度和低的旁瓣级，但是需要大量的数据样本来估计数据的协方差矩阵（如MVDR），计算量很大，而且当目标方位变化很快的时候，这种方法的性能将大打折扣甚至变得不稳定。对于DMR其需要事先知道目标的个数这一