狀態(tài)-空間模型移動平臺聲-海反演：理論、方法與系統(tǒng).pdf

1、聲-海反演是將反演的方法應(yīng)用于海洋聲學(xué)，對海洋環(huán)境參數(shù)進行估計的一項技術(shù)，其優(yōu)點為:1）由觀測海域外圍測量就可以獲得海洋內(nèi)部信息;2）用相對較少的觀測儀器獲得空時大尺度、平均意義上的海洋環(huán)境參數(shù)估計。然而，傳統(tǒng)的采用固定節(jié)點的聲-海反演技術(shù)由于節(jié)點復(fù)雜度很高，使得觀測區(qū)域的節(jié)點數(shù)受限，面臨覆蓋范圍與分辨力之間的矛盾。這是因為節(jié)點的測量方程數(shù)有限，在滿足一定覆蓋范圍的前提下，分辨力的提高意味著未知參量的增加，從而可能使反演問題變?yōu)橐粋€欠定

2、逆問題（未知量超過方程數(shù)）。將大量成本可控的移動節(jié)點（如自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle-AUV）、水下滑翔機）引入，利用其移動特性，增加節(jié)點測量方程數(shù)，為解決上述矛盾提供了新的思路。本論文主要研究以AUV為移動聲源的聲-海反演問題，包括理論研究和系統(tǒng)實現(xiàn)兩個方面。
　　移動聲源的聲傳播模型的建立是基于移動平臺的聲-海反演的一個基本問題。在波導(dǎo)環(huán)境下，聲源的運動引起波導(dǎo)多普勒效應(yīng)，即不同簡

3、正波模態(tài)會有不同的多普勒頻移。為了將多普勒效應(yīng)融入到模型中，進而使模型與測量數(shù)據(jù)更好地匹配，本論文基于波導(dǎo)多普勒簡正波理論建立移動聲源的聲傳播模型。將該模型作為前向模型，并利用匹配場方法反演環(huán)境參數(shù)和聲源參數(shù)（距離、深度、速度等）。在實際航行過程中，由于移動平臺在預(yù)設(shè)的指定軌跡下存在一定的波動，本論文將對運動軌跡失配情況下的移動聲源的聲傳播模型進行建模，并以此研究移動平臺的運動軌跡失配對反演性能的影響。
　　對于距離有關(guān)的環(huán)境參數(shù)

4、反演，未知參量的數(shù)目可能會超過測量方程數(shù)，使反演問題變?yōu)橐粋€欠定逆問題。由于移動平臺在航行到不同位置時，會得到不同的測量數(shù)據(jù)，從而增加了測量方程數(shù)。論文將匹配場聲-海反演問題建立在狀態(tài)-空間模型下，利用不斷更新的測量方程，對AUV航行路徑下距離有關(guān)的環(huán)境參數(shù)和聲源參數(shù)進行序貫估計。此時可利用環(huán)境與距離有關(guān)的波導(dǎo)多普勒簡正波模型建立前向模型，并比較不同序貫濾波器（擴展卡爾曼濾波、無味卡爾曼濾波、粒子濾波）的估計性能。聲源在不同深度下會激發(fā)

5、不同的簡正波模態(tài)，或具有不同的聲線傳播路徑，進而影響參數(shù)估計的性能。本論文以聲速剖面(Sound Speed Profile-SSP)的估計性能為例，通過規(guī)劃AUV的航行路徑，使估計得到的SSP均方誤差最小。
　　為聲-海反演理論驗證設(shè)計開發(fā)的AUV平臺，具有模塊化的機械結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，便于針對不同的應(yīng)用更換不同的載荷模塊。軟件系統(tǒng)在開源軟件MOOS-IvP上進行二次開發(fā)，具有星型拓撲結(jié)構(gòu)。通過兩次水池實驗和兩次湖上實驗