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复杂海洋环境匹配场源定位性能分析

肖专  
【摘要】:匹配场处理(Matched-Field Processing,简称MFP)是匹配滤波/波束形成理论在水声学中的延续和发展,是目前水下被动源定位的主要手段之一。在海洋波导这样一个既受到约束又可获取更多信息的复杂环境中,声波以垂直驻波水平行波的方式传播,匹配场处理利用了声传播的全场结构,将声场知识和信号处理技术两方面合理而深层次地结合,带来如虎添翼的效果。 被动源定位的匹配场处理可以说是信号处理技术在极端复杂环境中的综合应用。究其本质而言,它是一个参数估计器。对估计器的研究包括算法及性能两方面,其中,性能分析可定量地衡量估计算法的最优性和局限性,对实际应用有重要的指导作用。复杂环境中匹配场处理的性能分析,由于涉及声传播、环境及信号统计等多种模型,相当富有挑战性。 论文对匹配场定位的估计性能进行系统分析。现有的MFP性能分析还主要集中在考虑背景噪声场为空间白噪声过程,本文发展了空间有色噪声场中的性能分析方法,考虑了点干扰和表面生成噪声两种代表性过程,并和白噪声场中的性能进行了比较。这里以均方误差性能(Mean-Square Error,简称MSE)为指标,同时在Fisher框架和Bayesian框架中展开性能分析。主要考虑了CRB和BCRB两种局部性能限,以及区间错误(Method of Interval Errors,简称MIE)和ZZB两种全局性能分析方法。典型的MSE性能主要有两个特点:1)存在门限效应,当信噪比低于门限信噪比时,MSE主要受制于旁瓣模糊,性能迅速下降。2)如果环境参数存在失配,则即使在高信噪比区域也可能存在固定偏置,MSE性能无法改善。 全文根据接收信号二阶矩是否已知,分别对三种不断深入的情况展开研究,即协方差矩阵完全已知,协方差矩阵未知和格林函数存在小失配时协方差矩阵未知。获得的理论结果在典型的Pekeris波导和2001年亚洲海国际声学实验(Asian Seas International Acoustic Experiment,简称ASIAEX)反演得到的浅海环境中进行了仿真验证,主要包括以下三方面的结果。 1)在二阶矩已知时不失代表性地考虑了最大似然(Maximum Likelihood,简称ML)算法,因为ML方法具有渐近最小方差无偏(Minimum Variance and Unbiased,简称MVU)性,在协方差矩阵已知时可以达到CRB。CRB只考虑了主瓣模糊,是局部性能限;MIE方法则具有明显的门限效应,在整个信噪比区域和Monte Carlo的结果吻合良好。这是因为它额外添加考虑了主要旁瓣带来的概率错误(Probabilistic Square Error,简称PSE),需要计算对应主要旁瓣与主瓣之间的错误概率。BCRB对应着全局Fisher信息矩阵的逆,是Fisher信息矩阵在分布空间上的加权。当信息矩阵在分布空间上不均匀时,BCRB不再渐近可达,与实际性能之间存在微小的缝隙。ZZB则需要计算分布空间内任意两点的错误概率。错误概率和信息矩阵不一样的地方在于,它和具体算法密切相关。 2)二阶矩未知时考虑了Capon算法。Capon算法具有高分辨力,但是不是无偏估计器,加上自适应算法采样协方差求逆(Sample Matrix Inversion,简称SMI)的影响,其性能无法达到CRB,论文中修正得到了CRB型Capon算法渐近可达下限,并联合错误概率构建了对应的MIE性能分析方法;经过同样方法修正的BCRB也更为紧致。仿真结果和二阶矩已知时表现出一些共性:有色噪声场的加入使得门限信噪比相对白噪声场存在不同程度的提高。其中,MFP表现出对强单点干扰噪声良好的抑制能力,但是具有多秩性的表面生成噪声会使得高信噪比区域MSE下降的速率更为缓慢。当存在环境参数失配时,修正后的错误概率计算得到的MIE和ZZB也与Monte Carlo结果吻合,在高信噪比区域收敛到偏置引入的MSE。 3)宽容性匹配场算法牺牲分辨力来获取宽容性,以提高输出信号干扰噪声比(Signal-to-Interference and Noise Ratio,简称SINR)为目的。论文直接考虑了驾驶向量的不确实性,将其建模在一不确实球内,球半径为不确实因子,使得即使最坏情况下信号也能不失真通过。存在失配的时候,峰值对应的估计值存在一定偏置,宽容性算法并不能改善这一点,MSE描述不再适合,论文从波束模式图和输出SINR给予了分析,随着所选择不确实因子参数的增大,性能有明显改善。 以上部分理论内容还在实验室波导水池中采集数据进行了验证。在环境参数完全已知的情况下,最大似然MFP算法可以实现对信号源的定位,但MSE性能显示估计值在高信噪比区域存在小的偏置,这是由于驾驶向量和实际环境失配造成的。宽容性匹配场处理算法也用1993年北海实验的实测数据进行了验证,说明该宽容性方法是有效的。 论文研究进一步发展了若干匹配场处理理论性能分析方法,通过对典型环境下匹配场处理最优性和局限性的分析,期望对匹配场处理在现实环境中的应用起到一定的指导作用。


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