起伏环境下匹配模声源定位研究

发布时间：2017-08-11 15:04

  本文关键词：起伏环境下匹配模声源定位研究

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【摘要】：匹配模处理(Matched-mode processing,简称MMP是在匹配场处理基础上发展起来的一种水下目标定位手段。在不断变化的海洋环境下,由于所掌握的环境参数信息有偏差或不完备,匹配场处理使用的固定模型经常失效,论文研究的匹配模处理将处理信号空间转变到简正模空间,试图降低环境起伏带来的影响：首先选择稳健的模态分解方法来得到模向量函数,然后将其与拷贝场的模向量函数匹配,所期望的峰值位置应与真实声源位置接近。论文在单相干模态组模型下,研究模态采样和最小二乘估计在匹配模模态分解上的应用,进一步因待求模向量元素近似稀疏,本文将模态分解方程看作凸优化问题,并采用l1范数约束算法求解。论文区分全阵列和短孔径两种情况,重点研究模态采样、最小二乘估计(结合奇异值分解)和凸优化三种处理方法。基于模态采样在采样矩阵正交前提下提供一种快速简单的模态分解方法。基于最小二乘估计的匹配场处理以最小化数据拟合误差为原则,求得真实位置的无偏估计,若求逆矩阵为病态的,将导致求逆过程的不稳定。在最小二乘基础上发展的奇异值分解匹配模处理,对求逆矩阵做奇异值分解,能够将小奇异值去掉,减小求逆过程的不稳定,但同时会引起求解精度的下降。基于凸优化的匹配模处理在l1范数约束下,引入均衡因子λ,通过对相对容差的控制,折衷地进行求解,能够达到较高的定位分辨力及较好的稳健性。论文针对单相干模态组模型匹配模处理,分别在环境确实和不确实情况下分析三种方法的性能。首先分析环境确实全阵列条件下三种方法的定位结果,发展匹配模处理的克莱梅罗下限,其性能限等于匹配场处理的克莱梅罗下限。在环境不确实短孔径条件下进行三种方法的仿真,发展匹配模处理的克莱梅罗下限,基于最小二乘估计下的奇异值分解方法在去掉小奇异值后,克莱梅罗下限有小幅上升。在声速失配条件下分析讨论各种方法的定位效果,并验证基于凸优化的可行性,高分辨力和灵活性。最后论文探讨多相干模态组模型。在单相干模态组模型基础上,考虑模态间的非相干性,将其分组,各模态组间非相干。以自回归过程建立模型,仿真两组混叠相干模态组的分解和该情况下的匹配场与匹配模处理。并且研究多相干模态组模型下匹配模处理的克莱梅罗下限,与匹配场处理的克莱梅罗下限比较。
【关键词】：匹配模处理 声源定位 凸优化 克莱梅罗下限 自回归模型 多相干模态组模型
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB56
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 课题背景及意义12-14
• 1.2 国内外发展现状14-17
• 1.2.1 匹配场处理14-15
• 1.2.2 匹配模处理15-17
• 1.2.3 凸优化17
• 1.3 研究内容17-22
• 2 背景知识22-30
• 2.1 简正模模型与模态分解22-26
• 2.1.1 单相干模态组简正模模型22-24
• 2.1.2 基于一般线性反演理论的匹配模模态分解24-26
• 2.2 线性问题分解方法26-29
• 2.2.1 最小二乘估计26-27
• 2.2.2 奇异值分解27
• 2.2.3 凸优化27-29
• 2.3 本章小结29-30
• 3 单相干模态组模型匹配模声源定位方法30-60
• 3.1 匹配模处理30-31
• 3.2 模态分解31-34
• 3.2.1 基于模态采样的模态分解31
• 3.2.2 基于最小二乘的模态分解31-33
• 3.2.3 基于凸优化的模态分解33-34
• 3.3 数值仿真34-51
• 3.3.1 匹配模处理定位仿真35-40
• 3.3.2 基于短孔径的源定位40-51
• 3.4 亚洲海实验数据处理51-56
• 3.4.1 实验简介52-53
• 3.4.2 匹配模处理定位53-56
• 3.6 本章小结56-60
• 4 单相干模态组模型匹配模处理声源定位性能分析60-78
• 4.1 环境确实条件下的定位性能61-67
• 4.1.1 匹配模处理CRB61-65
• 4.1.2 性能分析65-67
• 4.2 环境不确实条件下的定位性能67-76
• 4.2.1 性能分析67-71
• 4.2.2 声速失配71-76
• 4.3 本章小结76-78
• 5 多相干模态组模型匹配模处理78-92
• 5.1 多相干模态组模型78-79
• 5.2 垂直全阵定位79-88
• 5.2.1 系数估计79-80
• 5.2.2 匹配定位80-88
• 5.3 多相干模态组模型的性能限88-90
• 5.4 本章小结90-92
• 6 总结与展望92-96
• 6.1 总结92-94
• 6.2 创新点94-95
• 6.3 研究方向展望95-96
• 参考文献96-100
• 作者简历100

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