1、状态空间模型移动平台声海反演：理论、方法与系统声 - 海反演是将反演的方法应用于海洋声学 , 对海洋环境参数进行估计的一项技术 , 其优点为： 1) 由观测海域外围测量就可以获得海洋内部信息； 2) 用相对较少的观测仪器获得空时大尺度、平均意义上的海洋环境参数估计。然而 , 传统的采用固定节点的声 - 海反演技术由于节点复杂度很高 , 使得观测区域的节点数受限 , 面临覆盖范围与分辨力之间的矛盾。这是因为节点的测量方程数有限 , 在满足一定覆盖范围的前提下 , 分辨力的提高意味着未知参量的增加 , 从而可能使反演问题变为一个欠定逆问题 ( 未知量超过方程数 ) 。将大量成本可控的移动节点 (
2、如自主水下航行器 (Autonomous Underwater Vehicle.AUV). 水下滑翔机 ) 引入 , 利用其移动特性 , 增加节点测量方程数 , 为解决上述矛盾提供了新的思路。本论文主要研究以 AUV为移动声源的声 - 海反演问题 , 包括理论研究和系统实现两个方面。移动声源的声传播模型的建立是基于移动平台的声 - 海反演的一个基本问题。在波导环境下 , 声源的运动引起波导多普勒效应 , 即不同简正波模态会有不同的多普勒频移。为了将多普勒效应融入到模型中 , 进而使模型与测量数据更好地匹配 , 本论文基于波导多普勒简正波理论建立移动声源的声传播模型。将该模型作为前向模型 , 并
3、利用匹配场方法反演环境参数和声源参数 ( 距离、深度、速度等 ) 。在实际航行过程中 , 由于移动平台在预设的指定轨迹下存在一定的波动 , 本论文将对运动轨迹失配情况下的移动声源的声传播模型进行建模, 并以此研究移动平台的运动轨迹失配对反演性能的影响。对于距离有关的环境参数反演, 未知参量的数目可能会超过测量方程数, 使反演问题变为一个欠定逆问题。由于移动平台在航行到不同位置时, 会得到不同的测量数据 , 从而增加了测量方程数。论文将匹配场声 - 海反演问题建立在状态 - 空间模型下 , 利用不断更新的测量方程 , 对 A1JV航行路径下距离有关的环境参数和声源参数进行序贯估计。此时可利用环境
4、与距离有关的波导多普勒简正波模型建立前向模型, 并比较不同序贯滤波器 ( 扩展卡尔曼滤波、无味卡尔曼滤波、粒子滤波) 的估计性能。声源在不同深度下会激发不同的简正波模态, 或具有不同的声线传播路径,进而影响参数估计的性能。本论文以声速剖面(Sound Speed Profile-SSP)的估计性能为例 , 通过规划 AUV的航行路径 , 使估计得到的 SSP均方误差最小。为声 - 海反演理论验证设计开发的AUV平台 , 具有模块化的机械结构、 硬件系统和软件系统 , 便于针对不同的应用更换不同的载荷模块。软件系统在开源软件MOOS-IvP上进行二次开发 , 具有星型拓扑结构。通过两次水池实验和两次湖上实验, 对 AUV的外设功能、导航、自主航行等进行了测试。 AUV系统开展了一次湖试和一次海试, 其辐射噪声被垂直接收阵接收 , 利用论文中的理论进行处理 , 得到了环境参数和声源参数的估计 , 与实际情况基本相符 , 从而论证了以 AUV作为移动声源进行声 - 海反演的可行性。收收 收
