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平台阵—信道—目标空—时宽带序贯状态滤波

作　者: 刘凤霞
导　师: 宫先仪
学　校: 浙江大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 三维定位双椭球螺旋线阵空间宽带时间宽带序贯贝叶斯滤波
分类号: TN912.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 28次
引　用: 3次
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内容摘要

海洋环境为一个上临海面、下接海底的受约束的波导环境——信道,其声场为由方位、距离和深度柱坐标共同表示的三维场。因而在海洋波导中,真正实现对目标的有效被动和主动探测——有效接收和有效照射,应进行目标三维定位。用来接收和发射信号的传感器阵一般装置在舰/艇壳平台导流罩中,阵尺寸受到限制。海洋信道的多路径传播和散射具有空间复杂化和时间复杂化特性。复杂化指宽带,时间复杂波形即宽带波形,空间复杂波前即宽带波前。时间宽带对应多频,空间宽带对应多波数。除信道的作用外,在被动声纳中,目标辐射噪声为时间宽带复杂波形。若把目标由点目标扩展为分布性目标,也为空间宽带复杂波前。在主动声纳中,发射信号一般为时间宽带复杂波形,因而反射波形也是如此。同样地,若把目标有点目标扩展为分布性目标,回波也为空间宽带复杂波前。为了充分利用声场的空间和时间结构信息而作空——时数据采集,需要尽可能布设大空间——带宽乘积阵和利用大时间——带宽乘积信号。本文通过空间宽带双椭球螺旋线阵(Double Spiral Line Array, DSLA)来进行波导三维采样。DSLA由两条沿椭球面螺旋的曲线阵(SLA)组成,两条SLA的起点,高度上错开一定的间隔、方位上错开将近180度,均按顺时针方向螺旋向下,每个南北半球对立的东西半球都有阵元分布,具有复杂的空间取向性。本文利用DSLA三维采样作目标三维定位,这里所说的三维定位,是指三维联合估计,而不是利用水平阵进行方位估计与利用垂直阵进行距离和深度估计的组合。如果只对目标某一维或二维位置感兴趣,则从三维结果通过边缘化或者取切面方法得到感兴趣维的估计。平台阵——信道——目标构成动力学系统,具有状态的规律性动力学演化性质,将这个知识利用上将提高定位的可靠性。本文利用DSLA,按空间宽带+时间宽带+空一时演化的方法,进行空——时宽带序贯贝叶斯滤波,以保证可靠的三维定位。本文主要研究内容为：1、水平线阵/圆环阵方位估计和垂直线阵距离——深度估计2、SLA及倾斜线阵三维匹配场定位。3、SLA三维定位序贯贝叶斯状态滤波。通过理论分析、仿真和实验室波导实验得到如下结论：1、水平阵可进行目标方位估计,基本无距离与深度估计能力,垂直线阵可进行距离与深度估计,无方位估计能力。水平阵和垂直线阵这种空间模糊性质,导致检测与定位能力的下降。水平阵和垂直线阵检测与定位能力弱的主要原因是水平线阵和垂直线阵为线阵、圆环阵为水平面阵,它们是空间窄带阵。2、倾斜线阵和图钉阵虽均为三维阵,可进行目标三维定位,但均为空间窄带阵。倾斜线阵是一个垂直放置的面阵,不具有空间宽带特性；图钉阵由一个水平圆环阵与一个垂直线阵构成,是两个空间窄带阵的组合,不是真正意义下的空间宽带阵。实际上,水平线阵、水平面阵、垂直线阵、倾斜线阵与图钉阵均为DSLA的褪化形式。DSLA为大空间——带宽乘积阵,具有优于倾斜线阵、图钉阵等空间窄带阵的三维定位能力。3、本文利用目标状态向量的规律性动力学演化知识,进行SLA空——时宽带序贯贝叶斯滤波。实验室波导实验验证了该方法较之直接将前一时刻的目标状态向量后验概率密度作为下一时刻先验的贝叶斯处理方法,具有更好的定位性能。4、利用Monte Carlo声传播和概率密度函数估计方法进行环境不确实下声场统计建模。仿真和实验室波导实验验证了该方法的有效性。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
图目录  13-17
第1章绪论  17-33
  1.1 提出一个声纳发展的科学和工程问题:有效接收和有效照射  17-21
  1.2 国内外研究同类问题的方法分析  21-22
  1.3 系统组成:目标、信道和螺旋线阵  22
  1.4 论文目标、面临的问题及解决措施  22-25
    1.4.1 论文目标:SLA三维定位  22-23
    1.4.2 面临问题:不确实信道下目标可靠定位  23
    1.4.3 解决措施:SLA空—时宽带序贯贝叶斯状态滤波GLRT  23-25
  1.5 三维定位与数据模型  25-29
    1.5.1 数据模型与传播模型  25-27
    1.5.2 三维定位与数据模型  27-28
    1.5.3 状态——空间模型与序贯贝叶斯状态滤波  28-29
  1.6 研究内容  29-33
    1.6.1 结构框图  29
    1.6.2 主要内容  29-33
第2章水平线阵/圆环阵方位估计和垂直线阵距离——深度估计  33-51
  2.1 单传感器时域波导中定位  33-38
    2.1.1 PCW信号单传感器时域波导中定位  35-37
    2.1.2 LFM信号单传感器时域波导中定位  37
    2.1.3 总结  37-38
  2.2 水平线阵/圆环阵方位估计  38-48
    2.2.1 平面波波束形成  39-42
    2.2.2 波导环境中水平线阵圆环阵方位估计  42-47
    2.2.3 总结  47-48
  2.3 垂直线阵距离——深度估计  48-50
  2.4 总结  50-51
第3章 SLA三维匹配场定位  51-79
  3.1 空间宽带SLA设计考虑  51-53
  3.2 SLA三维匹配场定位  53-71
    3.2.1 SLA三维匹配场定位仿真研究  53-56
    3.2.2 SLA三维匹配场定位实验研究  56-62
    3.2.3 SLA与倾斜线阵  62-67
    3.2.4 SLA与图钉阵  67-71
  3.3 SLA垂直尺度和放置深度研究  71-76
    3.3.1 SLA垂直尺度研究  71-73
    3.3.2 SLA放置深度研究  73-76
  3.4 总结  76-79
第4章 SLA三维定位序贯贝叶斯状态滤波  79-101
  4.1 系统状态——空间动力学和状态—空间模型  79-86
    4.1.1 状态方程的建立  80
    4.1.2 确实信道下测量方程的建立  80-81
    4.1.3 不确实信道下测量方程的建立  81-86
  4.2 序贯贝叶斯状态—空间滤波  86-90
    4.2.1 Kalman滤波器  87-88
    4.2.2 Histogram滤波器  88-89
    4.2.3 质点滤波器  89-90
  4.3 SLA三维定位序贯贝叶斯状态滤波  90-101
    4.3.1 确实信道下SLA三维定位序贯贝叶斯状态滤波实验研究  90-95
    4.3.2 不确实信道下SLA三维定位序贯贝叶斯状态滤波实验研究  95-101
第5章总结与展望  101-103
  5.1 论文总结  101-102
  5.2 研究方向展望  102-103
参考文献  103-107
作者简历  107

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