基于稀疏分解理论的三维被动定位研究

论文摘要

声源定位是水声信号处理领域经久不衰的研究热点之一,对于我国在海洋战略和国防建设方面的影响不言而喻。相比于主动定位,被动定位探测距离更远且隐蔽性更高,从而在水声对抗时既能增加安全性又能料敌先机、先敌制胜,因此对声源被动定位展开相关工作有着不容小觑的现实意义。鉴于此,本文将基于稀疏分解理论对声源的三维被动定位进行研究,谋求实现对感兴趣声源的三个空间维度位置参数(方位、距离和深度)的高分辨估计。根据目标声源在空域中分布的稀疏性特征,可以借助稀疏分解理论将声源的定位问题转化成一个欠定线性系统,运用适宜的稀疏分解算法进行求解。为了实现对声源的三维定位,本文的主要工作内容可以分成两个部分,分别为空间谱估计(Spatial Spectrum Estimation)和匹配场处理(Matched Field Processing,MFP),前者实现对声源方位的估计,后者则用于估计声源的距离和深度。基于稀疏分解理论的空间谱估计和匹配场处理的过程都是类似的。首先,根据声源位置参数的定位需求,划定相应的搜索范围,根据定位精度要求选择合适的搜索步长,从而构成相应的空间搜索网格。然后,根据声源的不同类型(窄带、宽带,相干、非相干等),基于稀疏分解理论建立相应的阵列接收数据数学模型。最后,再利用稀疏分解算法进行求解,得到定位估计结果。我们假定所有网格点上都存在声源,但只有真实声源所在的网格点才有一定的信号强度,其余都为0。所以,通过稀疏分解算法求解得到的结果是一个与搜索网格同维度的向量或矩阵。按照上述流程,本文分别对空间谱估计和匹配场处理进行了相关研究。针对不同的声源和接收数据快拍数条件,给出了相应的解决方案,仿真和实验数据处理结果验证了这些方法的有效性和精确性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文研究内容和章节安排
• 第2章 稀疏分解理论
•   2.1 引言
•   2.2 稀疏分解理论
•     2.2.1 欠定线性系统与正则化
•     2.2.2 稀疏性
•     2.2.3 稀疏分解模型
•   2.3 稀疏分解算法
•     2.3.1 正交匹配追踪算法
•     2.3.2 基追踪算法
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于稀疏分解的空间谱估计
•   3.1 引言
•   3.2 空间谱估计理论
•     3.2.1 空间谱估计数学模型
•     3.2.2 阵列输出协方差矩阵
•     3.2.3 空间谱估计常见算法
•   3.3 基于稀疏分解理论的空间谱估计
•     3.3.1 基于稀疏分解理论的空间谱估计模型
•     3.3.2 窄带声源处理
•     3.3.3 宽带声源处理
•     3.3.4 多目标估计
•     3.3.5 算法性能分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于稀疏分解的匹配场定位
•   4.1 引言
•   4.2 海洋声传播模型
•   4.3 匹配场定位
•     4.3.1 匹配场处理数学模型
•     4.3.2 匹配场定位流程
•     4.3.3 窄带匹配场处理器
•     4.3.4 宽带匹配场处理器
•   4.4 基于稀疏分解的匹配场源定位
•     4.4.1 稀疏分解匹配场定位数学模型
•     4.4.2 窄带声源处理
•     4.4.3 宽带声源处理
•     4.4.4 算法性能分析
•   4.5 失配影响分析
•     4.5.1 海水声速剖面失配
•     4.5.2 沉积层参数失配
•     4.5.3 底质参数失配
•   4.6 本章小结
• 第5章 实验数据处理
•   5.1 实验介绍
•     5.1.1 S5 实验
•     5.1.2 海洋环境参数
•   5.2 多普勒修正
•   5.3 基于稀疏分解理论的三维定位
•     5.3.1 窄带声源
•     5.3.2 宽带声源
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王顾彬

导师: 付金山

关键词: 稀疏分解,声源定位,空间谱估计,匹配场定位

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: P733.2

总页数: 101

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