馬爾可夫狀態(tài)—空間模型下的聲源定位與跟蹤.pdf

1、水下聲源定位與跟蹤問題一直以來都受到廣泛的關注。傳統(tǒng)定位方法研究主要集中于低輻射噪聲目標的定位與跟蹤，對于這一類目標進行定位與跟蹤通常需要大孔徑的接收陣與復雜的處理系統(tǒng)。近年來隨著自主水下航行器廣泛應用于各類水下作業(yè)中，對于這一類具有合作聲源的運動平臺的定位問題逐漸受到關注?，F(xiàn)有方法主要是從無線電技術中發(fā)展而來，對于水聲信道的考慮較少。在深海環(huán)境中，水聲信號傳播模型近似為自由場，這些技術可以很好地實現(xiàn)聲源定位。當聲源位于淺海環(huán)境時，自由

2、場的假設不再成立，環(huán)境對于信號傳播的作用就變得非常重要，直接影響到現(xiàn)有方法的適用性。水聲信號在淺海中傳播時會受到水面與水底的反射，形成多徑現(xiàn)象。由于水面以及水體的起伏，不僅會導致接收信號時延擴展，同時也會引起多普勒擴展，對于運動聲源這種擴展現(xiàn)象更加嚴重。因此對于聲信號而言，淺海環(huán)境本質上是一個時延與多普勒雙擴展的信道。本論文研究合作聲源定位與跟蹤的方法，試圖在淺海環(huán)境中利用小孔徑陣實現(xiàn)具有合作聲源的運動平臺的定位與跟蹤。
　　合作

3、聲源定位問題既不同于主動聲納目標定位，又區(qū)別于被動聲納目標定位，是被動聲納接收聲源主動發(fā)射的信號。聲源發(fā)射信號的形式與參數(shù)已知，可以作為先驗信息。通常自主水下航行器在水下作業(yè)時深度變化不大或者定深航行，因此對其定位主要是水平位置的定位，進而可以將三維空間定位問題簡化為二維平面定位。聲源運動軌跡通常不會是突變的，聲源當前時刻的狀態(tài)往往只與前面若干時刻的狀態(tài)有關，具有馬爾可夫性，具備部分的先驗知識的前提下可以通過一定的運動方程描述。聲源跟蹤

4、問題可以看成聲源狀態(tài)變化這一隨機過程的估計，在估計過程中可以通過測量獲得一定的新信息。整個問題可以納入到狀態(tài)-空間模型下，聲源跟蹤問題轉化為利用一個可觀測的輸入與可觀測的輸出尋求聲源狀態(tài)這一不可觀測量的最小均方誤差估計器。在實際過程中可觀測輸入項往往無法獲得，可以采用觀測誤差項取代。論文中采用五元均勻線陣作為觀測平臺，可觀測輸出項通過五元均勻線陣獲得，由兩項組成:當前測量時刻的聲源方位角及前后兩個測量時刻距離變化量。聲源方位角可以通過波

5、束形成估計獲得，距離變化量與發(fā)射、接收脈沖信號時間間隔差有直接關系。當發(fā)射脈沖信號時間間隔已知時，估計出接收信號的脈沖時間間隔就可以計算得到距離變化量。給定狀態(tài)-空間模型以后利用序貫貝葉斯濾波方法實現(xiàn)聲源跟蹤。
　　淺海環(huán)境中信號傳播受到波導效應影響，采用傳統(tǒng)的互相關等方法直接測量接收脈沖信號時間間隔會帶來較大的誤差，引入時間反轉技術可以改善脈沖信號時間間隔估計精度。時間反轉技術是基于聲信號在時不變環(huán)境中傳播的互易性提出的信號處理

6、方法，當環(huán)境為時不變或者變化緩慢時采用時反技術可以有效壓縮由多徑傳播引起的信號時延擴展。論文利用被動時反技術恢復接收信號波形，用于估計接收脈沖信號時間間隔，驗證了被動時反處理對時延估計精度的改善。但是當環(huán)境起伏較快時被動時反技術不再適合，需要發(fā)展新的方法。此外，論文研究對象為合作聲源，因此通過設計合適的聲源發(fā)射信號可以進一步改善跟蹤算法的適用性。
　　淺海時變信道中，發(fā)射信號經(jīng)過多徑傳播到達接收陣，聲源與接收陣之間的相對運動以及界

7、面和水體的運動導致信號每條傳播路徑的時延與多普勒擴展均不同，時延-多普勒二維模糊度函數(shù)能量集中于幾個區(qū)域內，表現(xiàn)出多峰現(xiàn)象。由聲源與接收陣相對運動引起的時延-多普勒擴展具有一定的穩(wěn)定和慢變性，由界面以及水體運動引起的時延-多普勒擴展具有一定的隨機性。論文借鑒蝙蝠、海豚等使用聲納作為主要探測和識別工具的動物的聲學發(fā)射特性，通過分析不同信號的時延-多普勒分辨力，選擇了在時延維和多普勒維均有較好分辨力的發(fā)射信號，進而將接收信號的時延-多普勒模

8、糊度函數(shù)作為測量值，對時延-多普勒進行跟蹤，從中提取直達波或最先到達信號的時延-多普勒信息。將這一信息作為聲源跟蹤的狀態(tài)-空間模型的可觀測輸出值，在淺海時變信道中實現(xiàn)了對聲源的有效跟蹤。
　　對于特定的聲源運動軌跡，當接收陣保持靜止時采用以上方法仍然會出現(xiàn)聲源的不可觀察現(xiàn)象，需要接收陣運動增加聲源的可觀察性。論文中在均方誤差準則下對接收陣運動軌跡進行了路徑搜索，使得在聲源以特定軌跡運動時接收陣仍然可以保持對聲源的可觀察性。

9、　　論文通過仿真驗證了波導環(huán)境中合作聲源定位與跟蹤算法的性能。在時不變波導環(huán)境中，驗證了時反與跟蹤算法結合的跟蹤效果。在時變起伏波導環(huán)境中驗證了時延-多普勒跟蹤與跟蹤算法相結合的聲源跟蹤算法性能。對于特殊運動軌跡的聲源而言，在最小均方誤差準則下仿真生成不同的接收陣運動軌跡驗證了接收陣運動對于聲源可觀察性的改善。論文的研究過程中設計并實現(xiàn)了一套合作聲源定位系統(tǒng)，包括模擬聲源與接收陣系統(tǒng)。通過水池測試以及海上試驗的實際使用，該系統(tǒng)正常穩(wěn)定工