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不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的声源运动参数估计方法

李倩倩 阳凡林 张凯 郑炳祥

不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的声源运动参数估计方法

李倩倩, 阳凡林, 张凯, 郑炳祥
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  • 环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一. 应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点. 环境聚焦方法的实质是将未知环境参数和声源位置联合优化估计. 然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量,因此不得不利用很有限的观测信息来实现众多参数的估计. 当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差. 借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,对航速较恒定的声源,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,以较少的时不变参数间接反演多个声源位置,从而有效降低待估参数维数. 同时将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,建立新的先验分布和代价函数,有效补偿个别异常数据,实现运动声源的连续定位. 该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.
      通信作者: 李倩倩, lqq@mail.ioa.ac.cn
    • 基金项目: 山东科技大学人才引进科研启动基金(批准号:2014RCJJ004)、测绘公益性行业科研专项经费(批准号:201512034)和国家自然科学基金(批准号:41506111,41376108)资助的课题.
    [1]

    Bucker H P 1976 J. Acoust. Soc. Am. 59 368

    [2]

    Qin J X, Katsnelson B, Li Z L, Zhang R H, Luo W Y 2016 Acta Acustica 41 145 (in Chinese) [秦继兴, Katsnelson Boris, 李整林, 张仁和, 骆文于 2016 声学学报 41 145]

    [3]

    Hu Z G, Li Z L, Zhang R H, Ren Y, Qin J X, He L 2016 Acta Phys. Sin. 65 014303 (in Chinese) [胡治国, 李整林, 张仁和, 任云, 秦继兴, 何利 2016 物理学报 65 014303]

    [4]

    Vaccaro R J, Chhetri A, Harrison B F 2004 J. Acoust. Soc. Am. 115 3010

    [5]

    Mo Y X, Piao S C, Zhang H G, Li L 2014 Acta Phys. Sin. 63 214302 (in Chinese) [莫亚枭, 朴胜春, 张海刚, 李丽 2014 物理学报 63 214302]

    [6]

    Fawcett J A, Maranda B H 1994 J. Acoust. Soc. Am. 96 1047

    [7]

    Schmidt H, Baggeroer A B, Kuperman W A, Sheer E K 1990 J. Acoust. Soc. Am. 88 1851

    [8]

    Rihardson A M, Nolte L W 1991 J. Acoust. Soc. Am. 89 2280

    [9]

    Yang K D, Ma Y L, Zou S X, Lei B 2006 Acta Acustica 31 496 (in Chinese) [杨坤德, 马远良, 邹士新, 雷波 2006 声学学报 31 496]

    [10]

    Seong W, Byun S H 2002 IEEE J.Oceanic Eng. 27 642

    [11]

    Collins M D, Kuperman W A 1991 J. Acoust. Soc. Am. 90 1410

    [12]

    Gerstoft P, Mecklenbrauker C F 1998 J. Acoust. Soc. Am. 104 808

    [13]

    Dosso S E, Wilmut M J 2007 J. Acoust. Soc. Am. 121 2567

    [14]

    Tantum S L, Nolte L W 1998 J. Acoust. Soc. Am. 103 362

    [15]

    Dosso S E, Wilmut M J 2008 J. Acoust. Soc. Am. 124 82

    [16]

    Dosso S E, Wilmut M J 2009 J. Acoust. Soc. Am. 125 717

    [17]

    Dosso S E, Wilmut M J 2010 J. Acoust. Soc. Am. 128 66

    [18]

    Gerstoft P 1997 SAGA Users Guide 2.0, an Inversion Software Package (La Spezia: SACLANT Undersea Research Center) pp01-132

    [19]

    Li Z L, Yan J, Li F H 2002 Acta Acustica 27 487 (in Chinese) [李整林, 郡锦, 李风华 2002 声学学报 27 487]

    [20]

    Jensen F B, Ferla F C 1979 SNAP: The SACLANTCEN Normal-mode Acoustic Propagation Model (La Spezia: SACLANTCEN) pp1-99

    [21]

    Li Q Q, Li Z L, Zhang R H 2014 Acta Acustica 39 535 (in Chinese) [李倩倩, 李整林, 张仁和 2014 声学学报 39 535]

  • [1]

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    [6]

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    Schmidt H, Baggeroer A B, Kuperman W A, Sheer E K 1990 J. Acoust. Soc. Am. 88 1851

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    Li Q Q, Li Z L, Zhang R H 2014 Acta Acustica 39 535 (in Chinese) [李倩倩, 李整林, 张仁和 2014 声学学报 39 535]

  • [1] 刘宗伟, 孙超, 向龙凤, 易锋. 不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法. 物理学报, 2014, 63(3): 034304. doi: 10.7498/aps.63.034304
    [2] 颜鹏程, 侯威, 钱忠华, 何文平, 孙建安. 基于贝叶斯理论的全球海温异常对500 hPa 温度场的影响分析. 物理学报, 2012, 61(13): 139202. doi: 10.7498/aps.61.139202
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    [5] 杨殿阁, 李兵, 王子腾, 连小珉. 运动声源识别的动态波叠加方法研究. 物理学报, 2012, 61(5): 054306. doi: 10.7498/aps.61.054306
    [6] 张同伟, 杨坤德, 马远良, 黎雪刚. 浅海中水平线列阵深度对匹配场定位性能的影响. 物理学报, 2010, 59(5): 3294-3301. doi: 10.7498/aps.59.3294
    [7] 张同伟, 杨坤德. 一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法. 物理学报, 2014, 63(21): 214303. doi: 10.7498/aps.63.214303
    [8] 杨殿阁, 罗禹贡, 李兵, 李克强, 连小珉. 基于时域多普勒修正的运动声全息识别方法. 物理学报, 2010, 59(7): 4738-4747. doi: 10.7498/aps.59.4738
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    [12] 江鹏飞, 林建恒, 孙军平, 衣雪娟. 考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演. 物理学报, 2017, 66(1): 014306. doi: 10.7498/aps.66.014306
    [13] 郝崇清, 王江, 邓斌, 魏熙乐. 基于稀疏贝叶斯学习的复杂网络拓扑估计. 物理学报, 2012, 61(14): 148901. doi: 10.7498/aps.61.148901
    [14] 陈志敏, 朱海潮, 毛荣富. 循环平稳声场的声源定位研究. 物理学报, 2011, 60(10): 104304. doi: 10.7498/aps.60.104304
    [15] 王娇, 周云辉, 黄玉清, 江虹. 基于贝叶斯网络的认知引擎设计与重配置. 物理学报, 2013, 62(3): 038402. doi: 10.7498/aps.62.038402
    [16] 文方青, 张弓, 贲德. 基于块稀疏贝叶斯学习的多任务压缩感知重构算法. 物理学报, 2015, 64(7): 070201. doi: 10.7498/aps.64.070201
    [17] 李慧, 赵琳, 李亮. 基于贝叶斯压缩感知的周跳探测与修复方法. 物理学报, 2016, 65(24): 249101. doi: 10.7498/aps.65.249101
    [18] 尹诗白, 王卫星, 王一斌, 李大鹏, 邓箴. 贝叶斯迭代联合双边滤波的散焦图像快速盲复原. 物理学报, 2016, 65(23): 234202. doi: 10.7498/aps.65.234202
    [19] 杨棣, 王元美, 李军刚. 贝叶斯频率估计中频率的先验分布对有色噪声作用的影响. 物理学报, 2018, 67(6): 060301. doi: 10.7498/aps.67.20171911
    [20] 贾雨晴, 苏林, 郭圣明, 马力. 基于简正波分解的不同阵列匹配场定位性能分析. 物理学报, 2018, 67(17): 174302. doi: 10.7498/aps.67.20180124
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-15
  • 修回日期:  2016-06-14
  • 刊出日期:  2016-08-20

不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的声源运动参数估计方法

  • 1. 山东科技大学测绘科学与工程学院, 青岛 266590;
  • 2. 中国科学院声学研究所, 声场声信息国家重点实验室, 北京 100190;
  • 3. 海洋石油工程(青岛)有限公司, 青岛 266520
  • 通信作者: 李倩倩, lqq@mail.ioa.ac.cn
    基金项目: 

    山东科技大学人才引进科研启动基金(批准号:2014RCJJ004)、测绘公益性行业科研专项经费(批准号:201512034)和国家自然科学基金(批准号:41506111,41376108)资助的课题.

摘要: 环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一. 应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点. 环境聚焦方法的实质是将未知环境参数和声源位置联合优化估计. 然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量,因此不得不利用很有限的观测信息来实现众多参数的估计. 当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差. 借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,对航速较恒定的声源,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,以较少的时不变参数间接反演多个声源位置,从而有效降低待估参数维数. 同时将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,建立新的先验分布和代价函数,有效补偿个别异常数据,实现运动声源的连续定位. 该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.

English Abstract

参考文献 (21)

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