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海洋地声参数及声源位置的联合反演研究

贾浩  
【摘要】: 检测水中声源目标和测定水体参数是声呐系统的主要任务,被广泛应用于军事和民用领域中,如对敌方水雷,蛙人和鱼群的侦测,或为勘探矿藏而对海洋、海底物理特性的测定,因此准确定位水下声源和获悉海域性质无论从国防战略角度还是经济开发、资源利用角度都有重要意义。 水下声源的判定和定位在理论和实践上都有成熟的大气中雷达信号检测方面的成果和经验可以借鉴,因而自声呐系统问世以来,国内外的关于声源定位的相关研究都取得了迅速的进展,实用技术亦相对比较成熟,涌现了大量的关于波束形成、干扰抵消、噪声消除等方面的科研成果。 另一方面,海洋声学参数的反演问题则由于其信号处理的复杂性,体现为反演参数数量多,参数耦合关系复杂,对处理器计算性能要求较高,因而其实用性的进展要相对缓慢一些,很多具体环节尚在理论和实验性的阶段。如何能使反演达到更高的精确度,更高的时效性是目前亟待解决的问题,也是本文研究的初衷。 联合反演多项声学参数技术是一项在复杂的多维参数空间内寻优的工作。一般而言,由于空间大维数高,故不能用穷举法寻优,只能考虑用遗传算法等寻优算法。此外,反演性能的好坏要通过多次,大量的统计结果而得出,并体现在对反演结果的唯一性和不确定性的合理解释上。再者,反演算法所采用的海洋声场传播模型同所反演的具体海域关系密切,对反演结果会有决定性的影响。目前已有的反演算法如根据对反演参数空间的划分情况,主要可分为在全参数空间内搜索的算法和分为子空间搜索的算法。前者直接在全部参数构成的空间内搜索,维数高空间大,缺乏足够的效率,但相对较为稳健;后者将参数以一定的准则归类分成子空间搜索,空间缩小了,利于寻优,但由于各子空间并非完全独立,故而稳健性相对不足。本文研究的主要内容是对海洋地声参数和声源位置联合反演,其主要创新点为通过新的算法设计,用某种方式将已有两类算法加以结合,实现优势互补,从而提高反演的精确度和时效性。所设计的反演方案是在分析已有的匹配场反演方法的基础上,构造的一种用阈值提取子空间的多步匹配场反演方法。它根据一定反演环境下参数的不同敏感性将参数划分为子集(子空间),并依次在各敏感子空间内反演。反演时用一定的阈值将目标函数优于阈值的参数区域提取出,最后在提取出的已相对缩减的区域和最后一个子空间(通常是不敏感参数子空间)内联合反演全部参数,求得最优值。从理论上而言,这样既可减小反演参数空间又能避免已有的子空间方法反演结果受非反演参数失配影响大的问题,从而能更加可靠的保证精确度。 仿真对本文设计的反演方案和已有的两类反演方案进行了对比实验,采用差异进化结合模拟退火算法作为寻优算法并采用基于重要性抽样的原理估计了反演参数的后验概率密度,从统计意义上比较了三者的性能。结果表明,本文算法比已有的两类算法在性能上有明显提高。 本文还给出了研究工作中所采用的声场模型KRAKEN的原理和程序包简介,KRAKEN模型属于局地简正波声场模型的一种,是计算拷贝场,从而实现匹配场处理,并最终实现反演的不可或缺的有效工具。


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