【摘要】：海洋是一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),其內(nèi)部存在著形式多樣的動(dòng)力過程,如鋒面、渦流、內(nèi)波等。這些過程以及它們之間的耦合,加上與海床的相互作用,導(dǎo)致海洋環(huán)境時(shí)間與空間上的顯著變化,存在所謂的環(huán)境不確實(shí)性。這些海洋環(huán)境的不確實(shí)性和水聲傳播及聲納信號(hào)處理之間存在著緊密的聯(lián)系。首先環(huán)境不確實(shí)性使得聲壓場(chǎng)在空間和時(shí)間上具有不確實(shí)性和變化性,而聲壓場(chǎng)的不確實(shí)性和變化性又使得聲納信號(hào)處理存在較大的不確實(shí)性。比如,目前水下被動(dòng)源定位的主要手段-匹配場(chǎng)處理(Matched-Field Processing-MFP)利用了聲在海洋波導(dǎo)中的傳播特性與觀察數(shù)據(jù),但對(duì)于環(huán)境的不確實(shí)性和變化性非常敏感。如果可用的環(huán)境信息不夠準(zhǔn)確,即使在信噪比非常高的情況下MFP性能也會(huì)明顯下降。因此,當(dāng)今水聲研究的一個(gè)主要方向是量化各種物理過程對(duì)聲傳播的影響,捕捉環(huán)境不確實(shí)性,進(jìn)而減小環(huán)境不確實(shí)性對(duì)聲納系統(tǒng)工作性能的影響。 通常環(huán)境參數(shù)可由儀器設(shè)備直接測(cè)量得到,但是由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資源和能力有限,獲取長(zhǎng)期、大范圍空間、時(shí)間充分采樣的數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實(shí)的。數(shù)據(jù)同化通過融合觀察數(shù)據(jù)和海洋動(dòng)力系統(tǒng),將不同性質(zhì)的測(cè)量數(shù)據(jù)有效地結(jié)合起來,給出相關(guān)尺度上與觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合的動(dòng)力過程的確定性描述,是目前綜合海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)常用的手段之一。由于聲傳播包含了豐富的海洋溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布信息,聲學(xué)數(shù)據(jù)為傳統(tǒng)同化技術(shù)提供了新的有效數(shù)據(jù)來源,同時(shí)聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化也為捕捉環(huán)境不確實(shí)性問題提出了一種新的手段。 論文針對(duì)環(huán)境不確實(shí)性對(duì)聲納系統(tǒng)工作性能的影響,在綜合、分析和評(píng)估哈佛海洋預(yù)測(cè)系統(tǒng)(Harvard Ocean Prediction System-HOPS)和自適應(yīng)快速環(huán)境評(píng)估系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開展基于聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化技術(shù)的海洋環(huán)境與聲場(chǎng)預(yù)測(cè)理論及方法研究,旨在為解決在實(shí)際海洋環(huán)境背景下,通過動(dòng)態(tài)建模,動(dòng)態(tài)測(cè)量、量化和融合,以及模型與數(shù)據(jù)的結(jié)合,獲取既靈敏又寬容的海洋觀測(cè)的信息科學(xué)問題提供思路。一方面,聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化技術(shù)融合了高分辨力的環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)以及聲學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù),將動(dòng)力系統(tǒng)工作尺度建模到聲傳播建模所要求的較小尺度上。另一方面,根據(jù)系統(tǒng)特定的應(yīng)用模式建立了聲學(xué)測(cè)量模型,并耦合數(shù)據(jù)同化結(jié)果進(jìn)行誤差分析以及聲學(xué)測(cè)量性能分析,將分析結(jié)果用于環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)資源部署的優(yōu)化。 全文根據(jù)聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化技術(shù)的基本框架,分別對(duì)海洋動(dòng)態(tài)建模、數(shù)據(jù)同化算法、聲學(xué)測(cè)量模型建模與移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化部署算法這幾個(gè)問題展開了深入的研究,主要包括以下三方面的結(jié)果。 1.根據(jù)特定海區(qū)與內(nèi)波建模有關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過對(duì)傳統(tǒng)Garrett-Munk模型的修正發(fā)展了適用于此海區(qū)的工作尺度在100m量級(jí)的淺海線性內(nèi)波模型,并給出了內(nèi)波影響下與聲學(xué)測(cè)量密切相關(guān)的聲速動(dòng)態(tài)演化特性。同時(shí),論文詳細(xì)描述了用于大尺度海洋環(huán)境預(yù)測(cè)的HOPS實(shí)現(xiàn)框架、功能原理及使用方法,并以Massachusetts Bay區(qū)域?yàn)槔?給出了HOPS的預(yù)測(cè)結(jié)果。HOPS預(yù)測(cè)結(jié)果可作為聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的初始化及邊界條件。 2.針對(duì)海洋中聲速場(chǎng)復(fù)雜的空-時(shí)演化特性,發(fā)展了基于聲速局部測(cè)量、聲速動(dòng)力模型、聲場(chǎng)傳播模型以及聲壓測(cè)量這四個(gè)方程的聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)通用框架,并且在此基礎(chǔ)上采用多點(diǎn)擾動(dòng)法、集合卡爾曼濾波(Ensemble Kalman Filter-EnKF)以及無跡卡爾曼濾波(Uscented Kalman Filter-UKF)等方法實(shí)現(xiàn)了聲速場(chǎng)不確實(shí)性估計(jì)�；诙帱c(diǎn)擾動(dòng)法的反演算法將內(nèi)波動(dòng)力模型代入通用框架,根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則求解代價(jià)函數(shù),從而獲得聲速場(chǎng)的估計(jì)結(jié)果。該方法能夠很好地應(yīng)用于存在內(nèi)波擾動(dòng)的非線性系統(tǒng),然而需要對(duì)每一維估計(jì)參數(shù)在可能的分布區(qū)域進(jìn)行搜索,在高維情況下計(jì)算復(fù)雜度較高�？紤]到算法的計(jì)算效率,論文采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Functions-EOF)來描述聲速場(chǎng)不確實(shí)性,并且基于序貫濾波思想將聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化技術(shù)的通用框架建模成狀態(tài)-空間模型。由于直接通過海洋動(dòng)力模型推導(dǎo)顯式的EOF系數(shù)隨時(shí)間演化的狀態(tài)方程較為困難,這里根據(jù)海洋動(dòng)力模型或?qū)崪y(cè)聲速數(shù)據(jù)通過自回歸分析擬合方法得到EOF系數(shù)的高階時(shí)間演化模型。相比于傳統(tǒng)的一階假設(shè)建模,仿真結(jié)果表明基于高階狀態(tài)方程的EnKF算法和UKF算法具有更優(yōu)的估計(jì)性能。 3.將系統(tǒng)具體的應(yīng)用模式設(shè)定為減少聲速場(chǎng)預(yù)測(cè)不確實(shí)性、減少聲場(chǎng)預(yù)測(cè)不確實(shí)性以及目標(biāo)源定位問題這三種情況,并且開展了對(duì)應(yīng)模式下的移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化部署算法研究。移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化部署算法的主要思路是根據(jù)不同的應(yīng)用模式建立對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),并且將最小化目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求取最短路徑問題從而獲取水下自主航行器的運(yùn)行路徑。針對(duì)第一種應(yīng)用模式,直接將數(shù)據(jù)同化算法的估計(jì)結(jié)果用于卡爾曼濾波器產(chǎn)生聲速場(chǎng)預(yù)測(cè)的后驗(yàn)不確實(shí)性,并將此定義為目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)第二種應(yīng)用模式,需要解決聲速場(chǎng)不確實(shí)性向聲場(chǎng)不確實(shí)性的傳遞問題�？紤]到在線處理的需要,采用線性近似法計(jì)算隨機(jī)聲場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)信息,將待估區(qū)域聲傳播損失的方差信息作為目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)第三種應(yīng)用模式,根據(jù)Bayesian框架下的克萊梅-羅下限的參量估計(jì)耦合性建立聲學(xué)測(cè)量性能的誤差分析模型,并將與聲源估計(jì)耦合性較大的環(huán)境參數(shù)的不確實(shí)性作為目標(biāo)函數(shù)。通過PRIMER實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的仿真分析了不同應(yīng)用模式下的移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化部署算法的效果。 論文聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化技術(shù)的部分理論內(nèi)容采用2006年SW06實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)和2011年千島湖實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。處理結(jié)果表明將聲學(xué)-動(dòng)力數(shù)據(jù)同化技術(shù)用于捕捉海洋環(huán)境中聲速場(chǎng)不確實(shí)是可行并有效的�；跍p少聲速場(chǎng)預(yù)測(cè)不確實(shí)性應(yīng)用模式的移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化部署算法也采用HOPS輸出的Massachusetts Bay海域環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,說明該路徑規(guī)劃方法是有效的。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P733.2;P714.3

【參考文獻(xiàn)】

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1 池順良,鍾榮融,駱鳴津,楊洪之;大地構(gòu)造和海陸起源的內(nèi)波假說（Ⅲ）———內(nèi)波動(dòng)力機(jī)制及能源分析[J];地殼形變與地震;1996年03期

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本文編號(hào)：2644926