结合声速反演的水声传感网络定位误差修正方法研究

发布时间：2021-05-27 14:15

　　水声传感网络（Underwater Acoustic Sensor Network,UASN）的出现大大提高了海洋环境探测的潜在能力。在大多数UASN的应用中,节点定位都是一项基础而重要的任务。节点的位置信息有助于其它水下任务的完成。在位置相关的数据采集任务中,如果缺失了位置信息,数据将变得无用。目前大多数的水下定位模型使用单一的声速值进行距离估计和节点定位,忽略了水体的分层效应以及声速剖面的时间变化特性对定位结果的影响。然而,受水下介质不均匀以及海洋环境动态变化的影响,水下定位存在不确定性。因此,本文就基于UASN的声速估计和定位误差修正开展研究工作。论文的第一部分以UASN中的距离估计问题为例,通过求解克拉美罗界（Cramer-Rao Bound,CRB）,讨论了声速剖面误差对距离估计性能的影响。研究结果表明,声速误差和时间测量误差以及深度测量误差一样,是影响水下传感器网络定位性能的重要因素。另外,海洋环境的动态变化也会造成声速剖面的扰动,导致声线路径和信号传播时间的变化,影响模型定位结果的稳定性。因此,为了降低声速误差对水下传感器网络中定位算法性能的影响,为定位模型提供更加准确的... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：116 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 水声传感网络的定位技术
        1.2.2 声速剖面反演方法
        1.2.3 机器学习方法在水声领域的应用
    1.3 论文研究内容
        1.3.1 研究思路
        1.3.2 研究内容
        1.3.3 论文结构
2 声速误差对水声传感网络中目标定位的影响
    2.1 声在海洋中的传播模型
        2.1.1 波动方程
        2.1.2 射线声学基础
    2.2 声速不确实性以及时间演化
        2.2.1 经验正交函数表征
        2.2.2 时间演化AR模型
    2.3 声速误差对水下网络距离估计的影响
        2.3.1 水下网络定位技术基础
        2.3.2 声速水平无关时的声线计算
        2.3.3 节点间距离估计方法及性能
    2.4 本章小结
3 基于声线路径跟踪的TDoA水声传感网络目标定位
    3.1 梯度分层模型
        3.1.1 等梯度声线跟踪
        3.1.2 梯度分层水体中的声线模型
        3.1.3 基于梯度分层模型的距离估计
    3.2 TDoA目标定位
        3.2.1 任意位置处的梯度计算
        3.2.2 节点定位算法
        3.2.3 性能限
    3.3 仿真分析和实验数据验证
        3.3.1 琼东海域平均声速环境节点定位仿真
        3.3.2 SWellEx96实验数据分析与算法验证
    3.4 本章小结
4 结合声速反演的水声传感网络定位误差修正
    4.1 基于微扰法的水下网络声速剖面反演
        4.1.1 水声传感网络与声层析问题
        4.1.2 基于射线模型的微扰法
        4.1.3 声速反演和跟踪算法
    4.2 基于递归神经网络的稀疏EOF系数估计
        4.2.1 逆问题求解中的机器学习方法:以匹配场为例
        4.2.2 字典相关性问题
        4.2.3 稀疏贝叶斯学习
        4.2.4 基于递归神经网络的稀疏参数估计模型
    4.3 声速剖面反演与定位修正仿真
        4.3.1 仿真环境
        4.3.2 基于微扰法的最小二乘声速剖面估计
        4.3.3 递归神经网络模型求解稀疏EOF系数
        4.3.4 距离估计和TDoA定位修正
    4.4 千岛湖声速反演和定位修正实验
        4.4.1 实验环境描述
        4.4.2 基于湖面信标的声速估计
        4.4.3 结合反演声速的TDoA定位修正
    4.5 本章小结
5 研究工作总结与未来研究展望
    5.1 研究工作总结
    5.2 创新点
    5.3 未来研究展望
参考文献
作者简历及在学期间科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]由传播时间反演海水中的声速剖面[J]. 唐俊峰,杨士莪.  哈尔滨工程大学学报. 2006(05)
[2]基于声线到达时差的浅海声速剖面反演[J]. 张忠兵,马远良,倪晋平,童 立.  西北工业大学学报. 2002(01)
[3]浅水声速剖面的反演方法与实验验证[J]. 沈远海,马远良,屠庆平,姜小权,朱治富.  西北工业大学学报. 2000(02)

博士论文
[1]信息理论准则下的匹配场声源定位[D]. 周悦.浙江大学 2015
[2]捕捉环境不确实性的声学—动力数据同化技术[D]. 金丽玲.浙江大学 2013

硕士论文
[1]深海声层析最小二乘新息方法[D]. 黄颖.浙江大学 2017



本文编号：3207725