不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法

刘宗伟; 孙超; 向龙凤; 易锋

doi:10.7498/aps.63.034304

摘要

实际的海洋是一个不确定的声传播环境，常规的匹配场方法在进行目标定位时会遇到环境失配的问题，导致定位性能下降. 在不确定的海洋环境中，声场传播中的一部分简正波模态受到声场不确定性的影响较小. 基于此，本文提出了一种模态子空间重构的稳健定位方法. 该方法使用稳定的模态来重构拷贝场向量，相比于常规匹配场定位方法中使用全阶模态来构造拷贝场向量，其定位结果更加稳健. 利用计算机仿真数据和海试数据进行了定位性能分析，并给出了常规匹配场定位方法和稳健最大似然定位方法作为对比. 研究结果表明：1）不确定海洋环境中，常规匹配场定位方法即使在较高的信噪比条件下其定位性能也较差. 2）模态子空间重构定位方法的性能优于常规匹配场定位方法和稳健最大似然方法.

关键词:

Abstract

Existing localization methods have mismatch problem when applied to the real uncertain ocean, and this will lead to performance degradation. In normal mode models, some modal eigenfunctions remain to be more correlated than others in the presence of environmental uncertainties. Based on this, we have proposed a mode subspace reconstruction robust localization method, which uses stable modes to reconstruct the replica vector to grantee the localization performance. The data from simulation and experiment are used to verify the effectiveness of the proposed method. Performances of the matched field processor (MFP) and the robust ML (maximum localization) estimator are also given here for comparison. Results show that: (1) the generally used MFP method has a low localization performance even at high SNR values; (2) the proposed method outperforms the robust ML estimator and the generally used MFP.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西北工业大学航海学院, 西安 710072

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：11274252）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Institute of Acoustic Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11274252).

参考文献

[1]	Baggeroer A B, Kuperman W A, Mikhalevsky P N 1993 IEEE J. Ocean. Eng. 18 401
[2]	Pace N G, Jensen F 2002 Impact of littoral environmental variability of acoustic predictions and sonar performance (Dordrecht, The netherlands: Springer) p507
[3]	Liu Z W, Sun C, Du J Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 064303 (in Chinese) [刘宗伟, 孙超, 杜金燕 2013 62 064303]
[4]	Del Balzo D R, Feuillade C, Rowe M M 1988 J. Acoust. Soc. Am. 83 2180
[5]	Tolstoy A 1989 J. Acoust. Soc. Am. 85 2394
[6]	Schmidt H, Baggeroer A B, Kuperman W A, Scheer E K 1990 J. Acoust. Soc. Am. 88 1851
[7]	Zhao H F, Li J L, Gong X Y 2011 J. Harbin. Eng. Univ. 32 200 (in Chinese) [赵航芳, 李建龙, 宫先仪 2011 哈尔滨工程大学学报 32 200]
[8]	Krolik J L 1992 J. Acoust. Soc. Am. 92 1408
[9]	Gingras D F, Gerr N L 1993 J. Acoust. Soc. Am. 93 2798
[10]	Liu Z W, Sun C 2011 Technical Acoustics 30 274 (in Chinese) [刘宗伟, 孙超 2011 声学技术 30 274]
[11]	Richardson A M, Nolte L W 1991 J. Acoust. Soc. Am. 89 2280
[12]	Shorey J A, Nolte L W, Krolik J L 1994 Journal of Computational Acoustics 2 285
[13]	Sha L W, Nolte L W 2005 J. Acoust. Soc. Am. 117 1942
[14]	Collins M D, Kuperman W A 1991 J. Acoust. Soc. Am. 90 1410
[15]	Gerstoft P 1994 J. Comput. Acousti. 2 251
[16]	Harrison B F, Vaccaro R J, Tufts D W 1996 J. Acoust. Soc. Am. 100 384
[17]	Walker S C, Roux P, Kuperman W A 2005 J. Acoust. Soc. Am. 118 1518
[18]	Wang H Z, Wang N, Gao D Z 2011 Chin. Phys. Lett. 28 114302
[19]	Li J, Stoica P 2006 Robust adaptive beamforming (New York: Wiley-Interscience) p91
[20]	Yan S F, Ma Y L 2008 Sensor Array Beampattern optimization: theory with applications (Beijng: Science Press) (in Chinese) [鄢社锋, 马远良 2008 传感器阵列波束优化设计及应用(北京: 科学出版社)] p48
[21]	Tabrikian J, Krolik J L, Messer H 1997 J. Acoust. Soc. Am. 101 241
[22]	Jensen F B, Kuperman W A, Portor M B, Schmidt H 2000 Computational ocean acoustics (New York: Springer) p67
[23]	Yang T C 1990 J. Acoust. Soc. Am. 87 2072
[24]	Buck J R, Preisig J C, Wage K E 1998 J. Acoust. Soc. Am. 103 1813
[25]	Collison N E, Dosso S E 2000 J. Acoust. Soc. Am. 107 3089
[26]	Yi F, Sun C 2013 Acta Acustica 38 35 (in Chinese) [易锋, 孙超 2013 声学学报 38 35]
[27]	Wilson G R, Koch R A, Vidmar P J 1988 J. Acoust. Soc. Am. 84 310
[28]	Porter M B 1991 The Kraken Normal Mode Program (La Spezia, Italy: SACLANT Underwater Acoustic Research Center)
[29]	Sha L W, Nolte L W 2006 IEEE J. Ocean. Eng. 31 345
[30]	Michalopoulou Z H 2000 J. Acoust. Soc. Am. 108 2082
[31]	Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S 2010 J. Acoust. Soc. Am. 128 75
[32]	Musil M, Chapman N R, Wilmut M J 1999 J. Acoust. Soc. Am. 106 3270

施引文献

[1]	Baggeroer A B, Kuperman W A, Mikhalevsky P N 1993 IEEE J. Ocean. Eng. 18 401
[2]	Pace N G, Jensen F 2002 Impact of littoral environmental variability of acoustic predictions and sonar performance (Dordrecht, The netherlands: Springer) p507
[3]	Liu Z W, Sun C, Du J Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 064303 (in Chinese) [刘宗伟, 孙超, 杜金燕 2013 62 064303]
[4]	Del Balzo D R, Feuillade C, Rowe M M 1988 J. Acoust. Soc. Am. 83 2180
[5]	Tolstoy A 1989 J. Acoust. Soc. Am. 85 2394
[6]	Schmidt H, Baggeroer A B, Kuperman W A, Scheer E K 1990 J. Acoust. Soc. Am. 88 1851
[7]	Zhao H F, Li J L, Gong X Y 2011 J. Harbin. Eng. Univ. 32 200 (in Chinese) [赵航芳, 李建龙, 宫先仪 2011 哈尔滨工程大学学报 32 200]
[8]	Krolik J L 1992 J. Acoust. Soc. Am. 92 1408
[9]	Gingras D F, Gerr N L 1993 J. Acoust. Soc. Am. 93 2798
[10]	Liu Z W, Sun C 2011 Technical Acoustics 30 274 (in Chinese) [刘宗伟, 孙超 2011 声学技术 30 274]
[11]	Richardson A M, Nolte L W 1991 J. Acoust. Soc. Am. 89 2280
[12]	Shorey J A, Nolte L W, Krolik J L 1994 Journal of Computational Acoustics 2 285
[13]	Sha L W, Nolte L W 2005 J. Acoust. Soc. Am. 117 1942
[14]	Collins M D, Kuperman W A 1991 J. Acoust. Soc. Am. 90 1410
[15]	Gerstoft P 1994 J. Comput. Acousti. 2 251
[16]	Harrison B F, Vaccaro R J, Tufts D W 1996 J. Acoust. Soc. Am. 100 384
[17]	Walker S C, Roux P, Kuperman W A 2005 J. Acoust. Soc. Am. 118 1518
[18]	Wang H Z, Wang N, Gao D Z 2011 Chin. Phys. Lett. 28 114302
[19]	Li J, Stoica P 2006 Robust adaptive beamforming (New York: Wiley-Interscience) p91
[20]	Yan S F, Ma Y L 2008 Sensor Array Beampattern optimization: theory with applications (Beijng: Science Press) (in Chinese) [鄢社锋, 马远良 2008 传感器阵列波束优化设计及应用(北京: 科学出版社)] p48
[21]	Tabrikian J, Krolik J L, Messer H 1997 J. Acoust. Soc. Am. 101 241
[22]	Jensen F B, Kuperman W A, Portor M B, Schmidt H 2000 Computational ocean acoustics (New York: Springer) p67
[23]	Yang T C 1990 J. Acoust. Soc. Am. 87 2072
[24]	Buck J R, Preisig J C, Wage K E 1998 J. Acoust. Soc. Am. 103 1813
[25]	Collison N E, Dosso S E 2000 J. Acoust. Soc. Am. 107 3089
[26]	Yi F, Sun C 2013 Acta Acustica 38 35 (in Chinese) [易锋, 孙超 2013 声学学报 38 35]
[27]	Wilson G R, Koch R A, Vidmar P J 1988 J. Acoust. Soc. Am. 84 310
[28]	Porter M B 1991 The Kraken Normal Mode Program (La Spezia, Italy: SACLANT Underwater Acoustic Research Center)
[29]	Sha L W, Nolte L W 2006 IEEE J. Ocean. Eng. 31 345
[30]	Michalopoulou Z H 2000 J. Acoust. Soc. Am. 108 2082
[31]	Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S 2010 J. Acoust. Soc. Am. 128 75
[32]	Musil M, Chapman N R, Wilmut M J 1999 J. Acoust. Soc. Am. 106 3270

[1]	王宣, 孙超, 李明杨, 张少东. 不确定浅海环境中水平阵角度域子空间检测. , 2022, 71(8): 084304. doi: 10.7498/aps.71.20211742
[2]	任超, 黄益旺, 夏峙. 宽频带海洋环境噪声矢量场空间相关特性建模. , 2022, 71(2): 024301. doi: 10.7498/aps.71.20211518
[3]	任超, 黄益旺, 夏峙. 宽频带海洋环境噪声矢量场空间相关特性建模. , 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211518
[4]	孔德智, 孙超, 李明杨. 浅海环境中基于模态衰减规律加权的子空间检测方法. , 2020, 69(16): 164301. doi: 10.7498/aps.69.20191948
[5]	李赫, 郭新毅, 马力. 利用海洋环境噪声空间特性估计浅海海底分层结构及地声参数. , 2019, 68(21): 214303. doi: 10.7498/aps.68.20190824
[6]	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. , 2018, 67(17): 174302. doi: 10.7498/aps.67.20180124
[7]	裴丽, 吴良英, 王建帅, 李晶, 宁提纲. 啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究. , 2017, 66(7): 070702. doi: 10.7498/aps.66.070702
[8]	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. , 2017, 66(1): 014306. doi: 10.7498/aps.66.014306
[9]	夏麾军, 马远良, 刘亚雄. 海洋环境噪声场对称性分析及噪声消除方法. , 2016, 65(14): 144302. doi: 10.7498/aps.65.144302
[10]	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. , 2016, 65(16): 164304. doi: 10.7498/aps.65.164304
[11]	张同伟, 杨坤德, 马远良, 汪勇. 一种基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法. , 2015, 64(2): 024303. doi: 10.7498/aps.64.024303
[12]	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. , 2014, 63(21): 214303. doi: 10.7498/aps.63.214303
[13]	赵现斌, 严卫, 王迎强, 陆文, 马烁. 基于海面散射模型的全极化合成孔径雷达海洋环境探测关键技术参数设计仿真研究. , 2014, 63(21): 218401. doi: 10.7498/aps.63.218401
[14]	苏林, 马力, 孙炳文, 郭圣明. 基于压缩拷贝场向量的空域滤波器设计. , 2014, 63(10): 104302. doi: 10.7498/aps.63.104302
[15]	刘宗伟, 孙超, 杜金燕. 不确定海洋声场中的检测性能损失环境敏感度度量. , 2013, 62(6): 064303. doi: 10.7498/aps.62.064303
[16]	时洁, 杨德森, 时胜国. 基于最差性能优化的运动声源稳健聚焦定位识别方法研究. , 2011, 60(6): 064301. doi: 10.7498/aps.60.064301
[17]	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. , 2010, 59(5): 3294-3301. doi: 10.7498/aps.59.3294
[18]	姚淅伟, 曾碧榕, 刘钦, 牟晓阳, 林星程, 杨春, 潘健, 陈忠. 基于核磁共振的子空间量子过程重构. , 2010, 59(10): 6837-6841. doi: 10.7498/aps.59.6837
[19]	韩亦文, 洪云, 杨树政. 广义不确定关系与整体单极黑洞Dirac场的熵. , 2007, 56(1): 10-14. doi: 10.7498/aps.56.10
[20]	肖方红, 阎桂荣, 韩宇航. 混沌时序相空间重构参数确定的信息论方法. , 2005, 54(2): 550-556. doi: 10.7498/aps.54.550

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