網(wǎng)絡(luò)式海洋聲學(xué)層析動(dòng)力學(xué)狀態(tài)—空間建模與處理.pdf

1、海洋內(nèi)部存在著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)與變化。了解海水運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律對(duì)開(kāi)發(fā)和利用海洋具有重要意義，這需要對(duì)海洋進(jìn)行大面積、長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)。動(dòng)力環(huán)境(如溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分布)作為海洋環(huán)境的重要組成部分，其有效測(cè)量技術(shù)一直受到關(guān)注。聲波是水下遙測(cè)的重要手段，利用海洋聲學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)時(shí)序、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。由于海洋參數(shù)存在一定的動(dòng)力學(xué)特征，采用序貫濾波思想跟蹤參數(shù)的變化是一種自然的選擇，而如何建立準(zhǔn)確、自適應(yīng)的參數(shù)演化模型成為問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，論文以

2、二維流速場(chǎng)的序貫跟蹤為例，在分布式水聲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，探討海洋環(huán)境測(cè)量的狀態(tài)—空間動(dòng)力學(xué)建模和信號(hào)處理。海洋聲學(xué)層析(Ocean Acoustic Tomography，簡(jiǎn)稱 OAT)技術(shù)從精確測(cè)量的聲傳播時(shí)間或者其他聲傳播屬性推斷聲場(chǎng)所穿過(guò)的海洋狀態(tài)，一般采用分布于觀測(cè)區(qū)域周邊的若干發(fā)射/接收節(jié)點(diǎn)，適合于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)部中小尺度過(guò)程。沿岸聲學(xué)層析(Coastal Acoustic Tomography，簡(jiǎn)稱CAT)作為OAT的一個(gè)特例，用于監(jiān)

3、測(cè)半封閉海域的聲速或流速的空間分布。
　　本研究提出了基于空時(shí)演化模型的CAT跟蹤方法，將空間網(wǎng)格流速狀態(tài)的演化方程建模為空時(shí) AR模型，且AR系數(shù)根據(jù)狀態(tài)估計(jì)值自適應(yīng)更新。研究結(jié)果表明，基于空時(shí)演化的CAT跟蹤方法能夠有效抑制測(cè)量的抖動(dòng)誤差。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨著分辨力與工作距離、空時(shí)尺度與資源之間的矛盾，水聲傳感網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Network，簡(jiǎn)稱UASN)為解決上述矛盾提供了新的思路。

4、UASN由大量分布于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)部的低功耗小型傳感節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)節(jié)點(diǎn)密度獲取分辨力，通過(guò)節(jié)點(diǎn)分布獲取覆蓋范圍，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的通信實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。UASN參數(shù)場(chǎng)估計(jì)可以看作是OAT技術(shù)在分布式網(wǎng)絡(luò)框架下的一種實(shí)現(xiàn)，我們將應(yīng)用于聲層析問(wèn)題的UASN稱為分布式聲學(xué)層析網(wǎng)絡(luò)(Distributed Acoustic Tomography Network，簡(jiǎn)稱DATN)。論文提出一種基于三角形網(wǎng)格離散化的流速場(chǎng)空時(shí)跟蹤方法，依據(jù)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋵?duì)區(qū)域進(jìn)行子三

5、角形劃分，以子三角形的流速作為研究對(duì)象，根據(jù)距離對(duì)子三角形進(jìn)行分類，距離相近的子三角形屬于同一階，AR系數(shù)相同，將子三角形的流速變化建模為空時(shí)AR過(guò)程。研究結(jié)果表明，所提出的空時(shí)跟蹤方法可提高估計(jì)性能，并且在應(yīng)對(duì)諸如鏈路失效、突發(fā)誤差等DATN的實(shí)際問(wèn)題時(shí)具備較強(qiáng)的寬容性。水下通信資源的限制使得基于DATN的流速場(chǎng)估計(jì)的數(shù)據(jù)融合過(guò)程頗具挑戰(zhàn)性。分布式處理在相鄰節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息交換，處理過(guò)程在每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行，使估計(jì)過(guò)程不依賴于任何一個(gè)中心

6、，具備較強(qiáng)的環(huán)境寬容性和可擴(kuò)展性。結(jié)合基于DATN的流速場(chǎng)估計(jì)問(wèn)題的特點(diǎn)，論文提出基于一致新息的分布式流速場(chǎng)估計(jì)方法。該方法從 Kalman濾波的信息表示形式入手，對(duì)平均偽測(cè)量向量進(jìn)行一致新息處理，局部測(cè)量值提供新息，節(jié)點(diǎn)之間的信息交換達(dá)成估計(jì)一致化。為了提高分布式估計(jì)的收斂速度，論文還提出一種基于路徑選擇的一致化加權(quán)矩陣構(gòu)造方法，并給出了所提出的分布式估計(jì)方法的無(wú)偏性和收斂性證明。研究結(jié)果表明，所提出的分布式流速場(chǎng)估計(jì)方法能達(dá)到局部流