本文關(guān)鍵詞：狀態(tài)—空間模型移動(dòng)平臺聲—海反演：理論、方法與系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：聲-海反演是將反演的方法應(yīng)用于海洋聲學(xué),對海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的一項(xiàng)技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)為：1)由觀測海域外圍測量就可以獲得海洋內(nèi)部信息；2)用相對較少的觀測儀器獲得空時(shí)大尺度、平均意義上的海洋環(huán)境參數(shù)估計(jì)。然而,傳統(tǒng)的采用固定節(jié)點(diǎn)的聲-海反演技術(shù)由于節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度很高,使得觀測區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)受限,面臨覆蓋范圍與分辨力之間的矛盾。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的測量方程數(shù)有限,在滿足一定覆蓋范圍的前提下,分辨力的提高意味著未知參量的增加,從而可能使反演問題變?yōu)橐粋�(gè)欠定逆問題(未知量超過方程數(shù))。將大量成本可控的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(如自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle.AUV).水下滑翔機(jī))引入,利用其移動(dòng)特性,增加節(jié)點(diǎn)測量方程數(shù),為解決上述矛盾提供了新的思路。本論文主要研究以AUV為移動(dòng)聲源的聲-海反演問題,包括理論研究和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面。移動(dòng)聲源的聲傳播模型的建立是基于移動(dòng)平臺的聲-海反演的一個(gè)基本問題。在波導(dǎo)環(huán)境下,聲源的運(yùn)動(dòng)引起波導(dǎo)多普勒效應(yīng),即不同簡正波模態(tài)會有不同的多普勒頻移。為了將多普勒效應(yīng)融入到模型中,進(jìn)而使模型與測量數(shù)據(jù)更好地匹配,本論文基于波導(dǎo)多普勒簡正波理論建立移動(dòng)聲源的聲傳播模型。將該模型作為前向模型,并利用匹配場方法反演環(huán)境參數(shù)和聲源參數(shù)(距離、深度、速度等)。在實(shí)際航行過程中,由于移動(dòng)平臺在預(yù)設(shè)的指定軌跡下存在一定的波動(dòng),本論文將對運(yùn)動(dòng)軌跡失配情況下的移動(dòng)聲源的聲傳播模型進(jìn)行建模,并以此研究移動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)軌跡失配對反演性能的影響。對于距離有關(guān)的環(huán)境參數(shù)反演,未知參量的數(shù)目可能會超過測量方程數(shù),使反演問題變?yōu)橐粋�(gè)欠定逆問題。由于移動(dòng)平臺在航行到不同位置時(shí),會得到不同的測量數(shù)據(jù),從而增加了測量方程數(shù)。論文將匹配場聲-海反演問題建立在狀態(tài)-空間模型下,利用不斷更新的測量方程,對A1JV航行路徑下距離有關(guān)的環(huán)境參數(shù)和聲源參數(shù)進(jìn)行序貫估計(jì)。此時(shí)可利用環(huán)境與距離有關(guān)的波導(dǎo)多普勒簡正波模型建立前向模型,并比較不同序貫濾波器(擴(kuò)展卡爾曼濾波、無味卡爾曼濾波、粒子濾波)的估計(jì)性能。聲源在不同深度下會激發(fā)不同的簡正波模態(tài),或具有不同的聲線傳播路徑,進(jìn)而影響參數(shù)估計(jì)的性能。本論文以聲速剖面(Sound Speed Profile-SSP)的估計(jì)性能為例,通過規(guī)劃AUV的航行路徑,使估計(jì)得到的SSP均方誤差最小。為聲-海反演理論驗(yàn)證設(shè)計(jì)開發(fā)的AUV平臺,具有模塊化的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),便于針對不同的應(yīng)用更換不同的載荷模塊。軟件系統(tǒng)在開源軟件MOOS-IvP上進(jìn)行二次開發(fā),具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過兩次水池實(shí)驗(yàn)和兩次湖上實(shí)驗(yàn),對AUV的外設(shè)功能、導(dǎo)航、自主航行等進(jìn)行了測試。AUV系統(tǒng)開展了一次湖試和一次海試,其輻射噪聲被垂直接收陣接收,利用論文中的理論進(jìn)行處理,得到了環(huán)境參數(shù)和聲源參數(shù)的估計(jì),與實(shí)際情況基本相符,從而論證了以AUV作為移動(dòng)聲源進(jìn)行聲-海反演的可行性。
【關(guān)鍵詞】：聲-海反演 自主水下航行器 狀態(tài)-空間模型 匹配場反演 波導(dǎo)多普勒 路徑規(guī)劃 MOOS-IvP
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P733.2
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 術(shù)語表18-20
• 數(shù)學(xué)符號表20-21
• 1 緒論21-33
• 1.1 課題背景與意義21-24
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-27
• 1.3 論文研究內(nèi)容27-32
• 1.3.1 移動(dòng)平臺匹配場反演29-30
• 1.3.2 最優(yōu)聲源深度30-31
• 1.3.3 狀態(tài)-空間模型移動(dòng)平臺序貫反演31
• 1.3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)31-32
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)32-33
• 2 移動(dòng)平臺聲-海反演基礎(chǔ)知識33-53
• 2.1 基于簡正波的聲傳播模型33-42
• 2.1.1 簡正波模型34-36
• 2.1.2 波導(dǎo)多普勒簡正波模型36-41
• 2.1.3 SSP的EOF表示41-42
• 2.2 反演方法42-51
• 2.2.1 配場反演42-44
• 2.2.2 狀態(tài)-空間模型序貫反演44-51
• 2.3 本章小結(jié)51-53
• 3 移動(dòng)平臺匹配場反演53-79
• 3.1 基于波導(dǎo)多普勒簡正波模型的匹配場反演53-71
• 3.1.1 任意積分時(shí)間下的波導(dǎo)多普勒簡正波模型53-57
• 3.1.2 目標(biāo)函數(shù)57-58
• 3.1.3 仿真分析58-71
• 3.2 移動(dòng)聲源軌跡失配對反演性能的影響71-78
• 3.2.1 移動(dòng)聲源軌跡失配聲傳播模型71-74
• 3.2.2 仿真分析74-78
• 3.3 本章小結(jié)78-79
• 4 狀態(tài)-空間模型移動(dòng)平臺序貫反演79-107
• 4.1 狀態(tài)-空間模型79-84
• 4.1.1 聲源幅度的估計(jì)82-84
• 4.1.2 環(huán)境與距離有關(guān)的傳播模型84
• 4.2 狀態(tài)-空間模型序貫反演84-90
• 4.2.1 環(huán)境參數(shù)跟蹤86-88
• 4.2.2 環(huán)境參數(shù)和聲源參數(shù)聯(lián)合跟蹤88-90
• 4.3 最優(yōu)聲源深度90-100
• 4.3.1 基于EOF系數(shù)BCRB的目標(biāo)函數(shù)91-97
• 4.3.2 仿真分析97-100
• 4.4 AUV路徑規(guī)劃100-104
• 4.4.1 標(biāo)函數(shù)100-102
• 4.4.2 仿真分析102-104
• 4.5 本章小結(jié)104-107
• 5 移動(dòng)平臺聲-海反演系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)107-129
• 5.1 AUV平臺108-124
• 5.1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)108-114
• 5.1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)114-124
• 5.2 上位機(jī)控制平臺124-126
• 5.3 聲-海反演采集系統(tǒng)126-127
• 5.4 本章小結(jié)127-129
• 6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析129-165
• 6.1 實(shí)驗(yàn)一：莫干湖水庫湖試129-148
• 6.1.1 海豚二號AUV基本性能分析129-132
• 6.1.2 基于海豚二號AUV的移動(dòng)平臺參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)132-148
• 6.2 實(shí)驗(yàn)二：舟山六橫海試148-163
• 6.2.1 基于海豚一號AUV的移動(dòng)平臺參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)150-163
• 6.3 本章小結(jié)163-165
• 7 結(jié)論與展望165-169
• 7.1 總結(jié)165-167
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)167
• 7.3 展望167-169
• 參考文獻(xiàn)169-177
• 作者簡歷及在學(xué)期間科研成果177

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  本文關(guān)鍵詞：狀態(tài)—空間模型移動(dòng)平臺聲—海反演：理論、方法與系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：286066