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文檔簡介
1、水下聲源定位與跟蹤問題一直以來都受到廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)定位方法研究主要集中于低輻射噪聲目標(biāo)的定位與跟蹤,對于這一類目標(biāo)進(jìn)行定位與跟蹤通常需要大孔徑的接收陣與復(fù)雜的處理系統(tǒng)。近年來隨著自主水下航行器廣泛應(yīng)用于各類水下作業(yè)中,對于這一類具有合作聲源的運(yùn)動(dòng)平臺的定位問題逐漸受到關(guān)注?,F(xiàn)有方法主要是從無線電技術(shù)中發(fā)展而來,對于水聲信道的考慮較少。在深海環(huán)境中,水聲信號傳播模型近似為自由場,這些技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)聲源定位。當(dāng)聲源位于淺海環(huán)境時(shí),自由
2、場的假設(shè)不再成立,環(huán)境對于信號傳播的作用就變得非常重要,直接影響到現(xiàn)有方法的適用性。水聲信號在淺海中傳播時(shí)會受到水面與水底的反射,形成多徑現(xiàn)象。由于水面以及水體的起伏,不僅會導(dǎo)致接收信號時(shí)延擴(kuò)展,同時(shí)也會引起多普勒擴(kuò)展,對于運(yùn)動(dòng)聲源這種擴(kuò)展現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因此對于聲信號而言,淺海環(huán)境本質(zhì)上是一個(gè)時(shí)延與多普勒雙擴(kuò)展的信道。本論文研究合作聲源定位與跟蹤的方法,試圖在淺海環(huán)境中利用小孔徑陣實(shí)現(xiàn)具有合作聲源的運(yùn)動(dòng)平臺的定位與跟蹤。
合作
3、聲源定位問題既不同于主動(dòng)聲納目標(biāo)定位,又區(qū)別于被動(dòng)聲納目標(biāo)定位,是被動(dòng)聲納接收聲源主動(dòng)發(fā)射的信號。聲源發(fā)射信號的形式與參數(shù)已知,可以作為先驗(yàn)信息。通常自主水下航行器在水下作業(yè)時(shí)深度變化不大或者定深航行,因此對其定位主要是水平位置的定位,進(jìn)而可以將三維空間定位問題簡化為二維平面定位。聲源運(yùn)動(dòng)軌跡通常不會是突變的,聲源當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)往往只與前面若干時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān),具有馬爾可夫性,具備部分的先驗(yàn)知識的前提下可以通過一定的運(yùn)動(dòng)方程描述。聲源跟蹤
4、問題可以看成聲源狀態(tài)變化這一隨機(jī)過程的估計(jì),在估計(jì)過程中可以通過測量獲得一定的新信息。整個(gè)問題可以納入到狀態(tài)-空間模型下,聲源跟蹤問題轉(zhuǎn)化為利用一個(gè)可觀測的輸入與可觀測的輸出尋求聲源狀態(tài)這一不可觀測量的最小均方誤差估計(jì)器。在實(shí)際過程中可觀測輸入項(xiàng)往往無法獲得,可以采用觀測誤差項(xiàng)取代。論文中采用五元均勻線陣作為觀測平臺,可觀測輸出項(xiàng)通過五元均勻線陣獲得,由兩項(xiàng)組成:當(dāng)前測量時(shí)刻的聲源方位角及前后兩個(gè)測量時(shí)刻距離變化量。聲源方位角可以通過波
5、束形成估計(jì)獲得,距離變化量與發(fā)射、接收脈沖信號時(shí)間間隔差有直接關(guān)系。當(dāng)發(fā)射脈沖信號時(shí)間間隔已知時(shí),估計(jì)出接收信號的脈沖時(shí)間間隔就可以計(jì)算得到距離變化量。給定狀態(tài)-空間模型以后利用序貫貝葉斯濾波方法實(shí)現(xiàn)聲源跟蹤。
淺海環(huán)境中信號傳播受到波導(dǎo)效應(yīng)影響,采用傳統(tǒng)的互相關(guān)等方法直接測量接收脈沖信號時(shí)間間隔會帶來較大的誤差,引入時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)可以改善脈沖信號時(shí)間間隔估計(jì)精度。時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)是基于聲信號在時(shí)不變環(huán)境中傳播的互易性提出的信號處理
6、方法,當(dāng)環(huán)境為時(shí)不變或者變化緩慢時(shí)采用時(shí)反技術(shù)可以有效壓縮由多徑傳播引起的信號時(shí)延擴(kuò)展。論文利用被動(dòng)時(shí)反技術(shù)恢復(fù)接收信號波形,用于估計(jì)接收脈沖信號時(shí)間間隔,驗(yàn)證了被動(dòng)時(shí)反處理對時(shí)延估計(jì)精度的改善。但是當(dāng)環(huán)境起伏較快時(shí)被動(dòng)時(shí)反技術(shù)不再適合,需要發(fā)展新的方法。此外,論文研究對象為合作聲源,因此通過設(shè)計(jì)合適的聲源發(fā)射信號可以進(jìn)一步改善跟蹤算法的適用性。
淺海時(shí)變信道中,發(fā)射信號經(jīng)過多徑傳播到達(dá)接收陣,聲源與接收陣之間的相對運(yùn)動(dòng)以及界
7、面和水體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致信號每條傳播路徑的時(shí)延與多普勒擴(kuò)展均不同,時(shí)延-多普勒二維模糊度函數(shù)能量集中于幾個(gè)區(qū)域內(nèi),表現(xiàn)出多峰現(xiàn)象。由聲源與接收陣相對運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)延-多普勒擴(kuò)展具有一定的穩(wěn)定和慢變性,由界面以及水體運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)延-多普勒擴(kuò)展具有一定的隨機(jī)性。論文借鑒蝙蝠、海豚等使用聲納作為主要探測和識別工具的動(dòng)物的聲學(xué)發(fā)射特性,通過分析不同信號的時(shí)延-多普勒分辨力,選擇了在時(shí)延維和多普勒維均有較好分辨力的發(fā)射信號,進(jìn)而將接收信號的時(shí)延-多普勒模
8、糊度函數(shù)作為測量值,對時(shí)延-多普勒進(jìn)行跟蹤,從中提取直達(dá)波或最先到達(dá)信號的時(shí)延-多普勒信息。將這一信息作為聲源跟蹤的狀態(tài)-空間模型的可觀測輸出值,在淺海時(shí)變信道中實(shí)現(xiàn)了對聲源的有效跟蹤。
對于特定的聲源運(yùn)動(dòng)軌跡,當(dāng)接收陣保持靜止時(shí)采用以上方法仍然會出現(xiàn)聲源的不可觀察現(xiàn)象,需要接收陣運(yùn)動(dòng)增加聲源的可觀察性。論文中在均方誤差準(zhǔn)則下對接收陣運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了路徑搜索,使得在聲源以特定軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)接收陣仍然可以保持對聲源的可觀察性。
9、 論文通過仿真驗(yàn)證了波導(dǎo)環(huán)境中合作聲源定位與跟蹤算法的性能。在時(shí)不變波導(dǎo)環(huán)境中,驗(yàn)證了時(shí)反與跟蹤算法結(jié)合的跟蹤效果。在時(shí)變起伏波導(dǎo)環(huán)境中驗(yàn)證了時(shí)延-多普勒跟蹤與跟蹤算法相結(jié)合的聲源跟蹤算法性能。對于特殊運(yùn)動(dòng)軌跡的聲源而言,在最小均方誤差準(zhǔn)則下仿真生成不同的接收陣運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證了接收陣運(yùn)動(dòng)對于聲源可觀察性的改善。論文的研究過程中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套合作聲源定位系統(tǒng),包括模擬聲源與接收陣系統(tǒng)。通過水池測試以及海上試驗(yàn)的實(shí)際使用,該系統(tǒng)正常穩(wěn)定工
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