收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

马尔可夫状态—空间模型下的声源定位与跟踪

杨志国  
【摘要】:水下声源定位与跟踪问题一直以来都受到广泛的关注。传统定位方法研究主要集中于低辐射噪声目标的定位与跟踪,对于这一类目标进行定位与跟踪通常需要大孔径的接收阵与复杂的处理系统。近年来随着自主水下航行器广泛应用于各类水下作业中,对于这一类具有合作声源的运动平台的定位问题逐渐受到关注。现有方法主要是从无线电技术中发展而来,对于水声信道的考虑较少。在深海环境中,水声信号传播模型近似为自由场,这些技术可以很好地实现声源定位。当声源位于浅海环境时,自由场的假设不再成立,环境对于信号传播的作用就变得非常重要,直接影响到现有方法的适用性。水声信号在浅海中传播时会受到水面与水底的反射,形成多径现象。由于水面以及水体的起伏,不仅会导致接收信号时延扩展,同时也会引起多普勒扩展,对于运动声源这种扩展现象更加严重。因此对于声信号而言,浅海环境本质上是一个时延与多普勒双扩展的信道。本论文研究合作声源定位与跟踪的方法,试图在浅海环境中利用小孔径阵实现具有合作声源的运动平台的定位与跟踪。 合作声源定位问题既不同于主动声纳目标定位,又区别于被动声纳目标定位,是被动声纳接收声源主动发射的信号。声源发射信号的形式与参数已知,可以作为先验信息。通常自主水下航行器在水下作业时深度变化不大或者定深航行,因此对其定位主要是水平位置的定位,进而可以将三维空间定位问题简化为二维平面定位。声源运动轨迹通常不会是突变的,声源当前时刻的状态往往只与前面若干时刻的状态有关,具有马尔可夫性,具备部分的先验知识的前提下可以通过一定的运动方程描述。声源跟踪问题可以看成声源状态变化这一随机过程的估计,在估计过程中可以通过测量获得一定的新信息。整个问题可以纳入到状态-空间模型下,声源跟踪问题转化为利用一个可观测的输入与可观测的输出寻求声源状态这一不可观测量的最小均方误差估计器。在实际过程中可观测输入项往往无法获得,可以采用观测误差项取代。论文中采用五元均匀线阵作为观测平台,可观测输出项通过五元均匀线阵获得,由两项组成:当前测量时刻的声源方位角及前后两个测量时刻距离变化量。声源方位角可以通过波束形成估计获得,距离变化量与发射、接收脉冲信号时间间隔差有直接关系。当发射脉冲信号时间间隔已知时,估计出接收信号的脉冲时间间隔就可以计算得到距离变化量。给定状态-空间模型以后利用序贯贝叶斯滤波方法实现声源跟踪。 浅海环境中信号传播受到波导效应影响,采用传统的互相关等方法直接测量接收脉冲信号时间间隔会带来较大的误差,引入时间反转技术可以改善脉冲信号时间间隔估计精度。时间反转技术是基于声信号在时不变环境中传播的互易性提出的信号处理方法,当环境为时不变或者变化缓慢时采用时反技术可以有效压缩由多径传播引起的信号时延扩展。论文利用被动时反技术恢复接收信号波形,用于估计接收脉冲信号时间间隔,验证了被动时反处理对时延估计精度的改善。但是当环境起伏较快时被动时反技术不再适合,需要发展新的方法。此外,论文研究对象为合作声源,因此通过设计合适的声源发射信号可以进一步改善跟踪算法的适用性。 浅海时变信道中,发射信号经过多径传播到达接收阵,声源与接收阵之间的相对运动以及界面和水体的运动导致信号每条传播路径的时延与多普勒扩展均不同,时延-多普勒二维模糊度函数能量集中于几个区域内,表现出多峰现象。由声源与接收阵相对运动引起的时延-多普勒扩展具有一定的稳定和慢变性,由界面以及水体运动引起的时延-多普勒扩展具有一定的随机性。论文借鉴蝙蝠、海豚等使用声纳作为主要探测和识别工具的动物的声学发射特性,通过分析不同信号的时延-多普勒分辨力,选择了在时延维和多普勒维均有较好分辨力的发射信号,进而将接收信号的时延-多普勒模糊度函数作为测量值,对时延-多普勒进行跟踪,从中提取直达波或最先到达信号的时延-多普勒信息。将这一信息作为声源跟踪的状态-空间模型的可观测输出值,在浅海时变信道中实现了对声源的有效跟踪。 对于特定的声源运动轨迹,当接收阵保持静止时采用以上方法仍然会出现声源的不可观察现象,需要接收阵运动增加声源的可观察性。论文中在均方误差准则下对接收阵运动轨迹进行了路径搜索,使得在声源以特定轨迹运动时接收阵仍然可以保持对声源的可观察性。 论文通过仿真验证了波导环境中合作声源定位与跟踪算法的性能。在时不变波导环境中,验证了时反与跟踪算法结合的跟踪效果。在时变起伏波导环境中验证了时延-多普勒跟踪与跟踪算法相结合的声源跟踪算法性能。对于特殊运动轨迹的声源而言,在最小均方误差准则下仿真生成不同的接收阵运动轨迹验证了接收阵运动对于声源可观察性的改善。论文的研究过程中设计并实现了一套合作声源定位系统,包括模拟声源与接收阵系统。通过水池测试以及海上试验的实际使用,该系统正常稳定工作并采集了有效的实验数据。海试数据处理结果验证了论文中提出的波导环境中时反与跟踪相结合算法的有效性及性能。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 周峰;吴作凌;陈雄;;基于无线传感器网络的声源定位系统设计与实现[J];微电子学与计算机;2009年06期
2 李俊杰;何友;宋杰;;基于FPGA的实时声源定位[J];信息化纵横;2009年13期
3 李文;夏秀渝;何培宇;李源;;基于麦克风阵列的近场声源定位[J];四川大学学报(自然科学版);2008年02期
4 李从清;孙立新;戴士杰;武方;;声源定位分离技术在机器人领域的应用[J];电声技术;2010年01期
5 黄高明;金连友;李志轶;;一种新颖的声源被动定位技术研究[J];电子对抗;2009年02期
6 杨杰;张明路;;一种改进的声源目标成型波定位方法的研究[J];河北工业大学学报;2009年05期
7 陈德胜;郜洪云;肖灵;傅汝廉;孙德兴;;基于Sagnac干涉仪的新型声源定位光纤传感器[J];光电子.激光;2006年04期
8 李石坚;廖备水;吴健;;面向目标跟踪的传感器网络设计、实现和布局优化[J];传感技术学报;2007年12期
9 罗金玉;刘建平;张一闻;;麦克风阵列信号处理的研究现状与应用[J];现代电子技术;2010年23期
10 林志斌,徐柏龄;基于传声器阵列的声源定位[J];电声技术;2004年05期
11 陈德胜;郜洪云;肖灵;傅汝廉;崔杰;孙德兴;;基于微分干涉仪的新型光纤声传感器[J];光电子.激光;2006年08期
12 容茂成;祖丽楠;杨鹏;;移动机器人听觉定位技术研究[J];机器人技术与应用;2008年04期
13 王文龙;张艳萍;;基于四麦克风阵列的三维声源定位[J];南京信息工程大学学报(自然科学版);2010年05期
14 刘哲;陈日林;滕鹏晓;杨亦春;;阵列声成像系统的设计[J];微计算机应用;2011年07期
15 段敬红;刘瑞华;;基于BP神经网络和声达时间差的声源定位算法[J];电讯技术;2007年05期
16 陈炯堯;;室内声场之混响时间与声源特性对空间声源定位的影响(英文)[J];华南理工大学学报(自然科学版);2007年S1期
17 蔡阳生;;声源定位及立体声的实现[J];音响技术;2008年05期
18 刘红宁;李志尊;;基于移动机器人的声源定位系统[J];四川兵工学报;2009年04期
19 唐小明;吴昊;刘志坤;;基于广义互相关算法的时延估计研究[J];电声技术;2009年08期
20 吕晓玲;张明路;;基于机器人听觉的自主声源搜索策略[J];机器人;2010年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 程丽娟;应丽美;Olivia Gosseries;王付言;张瑛;喻森明;胡晓华;余丹;李景琦;高鸿兴;何敏慧;Caroline Schnakers;狄海波;;严重意识障碍患者声源定位的评估:唤名与铃声的比较[A];首届全国脑外伤治疗与康复学术大会论文汇编(中)[C];2011年
2 范京;罗倩;曾义芳;;平面麦克风阵列估计声源的方向和距离[A];全国第4届信号和智能信息处理与应用学术会议论文集[C];2010年
3 刘月婵;孙超;何元安;;旋转式阵列声源定位技术研究[A];中国声学学会水声学分会2011年全国水声学学术会议论文集[C];2011年
4 胡涛;蒋德军;王涛;;简正波展开与声源定位[A];中国声学学会1999年青年学术会议[CYCA'99]论文集[C];1999年
5 黄益旺;杨士莪;吕钱浩;;基于时延的匹配场声源定位[A];中国声学学会2002年全国声学学术会议论文集[C];2002年
6 黄益旺;杨士莪;朴胜春;;远距离声源被动定位新方法研究[A];2004年全国水声学学术会议论文集[C];2004年
7 全海英;张旭;邓军民;于红玉;徐瑾;孙涌;何宝新;水玉海;王宁宇;;声源定位测听系统的设计[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(上册)[C];2007年
8 汪增福;刘克辉;王东;韩文善;;基于声压幅度比的声源定位[A];2001年中国智能自动化会议论文集(下册)[C];2001年
9 马光彦;王伟策;蒋新胜;罗珊;;一种高精度声源自动跟踪系统的设计[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年
10 钟小丽;谢菠荪;;衣服、耳廓对肩部反射及头相关传输函数的综合影响[A];2005年声频工程学术交流会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨志国;马尔可夫状态—空间模型下的声源定位与跟踪[D];浙江大学;2013年
2 郭小霞;水下结构辐射噪声源快速诊断识别研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
3 周成;人耳声源定位与编码技术研究[D];武汉大学;2011年
4 黄益旺;浅海远距离匹配场声源定位研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
5 崔玮玮;基于麦克风阵列的声源定位与语音增强方法研究[D];清华大学;2009年
6 何宏森;基于传声器阵列的建模和定位算法研究[D];南京大学;2013年
7 金乃高;音视频联合说话人定位与跟踪方法研究[D];大连理工大学;2008年
8 吕晓玲;基于听觉信息的机器人声源定位技术研究[D];河北工业大学;2010年
9 张同华;基于声发射技术的PE/PE自增强复合材料损伤检测研究[D];东华大学;2008年
10 王庆生;微型生物听觉系统的定向机理及仿生声感应结构的设计和实验研究[D];上海交通大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨超;声源二维定位估计算法研究[D];沈阳理工大学;2011年
2 刘磊;基于信号能量修正的声源定位算法研究[D];辽宁大学;2012年
3 韩朋朋;基于粒子滤波的麦克风阵列声源定位与跟踪的算法研究[D];南京邮电大学;2013年
4 冯知非;嵌入式超音速子弹声源定位技术研究[D];北京交通大学;2011年
5 孙玉玲;高压水射流靶物反射声信号的声源分离及定位[D];安徽理工大学;2012年
6 张青;基于时延估计的声源定位算法的研究[D];北方工业大学;2012年
7 施爱春;分布式声源定位与跟踪算法研究[D];复旦大学;2011年
8 姜纳;基于接收信号强度的声源定位问题研究[D];北京邮电大学;2013年
9 柯昆;声源定位技术研究[D];西安电子科技大学;2010年
10 范嘉隽;基于无线传感器网络的声源定位系统的设计与实现[D];上海交通大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前9条
1 聂廷晋、特约记者赵荣涛;10余项成果获国家和省部级立项资助[N];人民武警;2010年
2 本报记者 钱怡 徐磊;“机器人运动”喜忧录[N];苏州日报;2010年
3 记者  王爽;万余科技成果亮相展交会[N];济南日报;2006年
4 黄艳儒;着眼未来战争,构建航务军交运输信息化平台[N];战士报;2006年
5 哈湘宁;“机器人观察哨”[N];中国国防报;2007年
6 宋馥李;多式联运的标准化瓶颈[N];现代物流报;2008年
7 记者 凡妮;相互渗透IT家电厂商斗法CES[N];电脑商报;2003年
8 本报驻特拉维夫记者田学科;风景这边独好[N];科技日报;2002年
9 王建高;奥帆赛场的“科技大餐”[N];科技日报;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978