稳健匹配场反演与噪声抑制技术研究

论文摘要

本文以浅海底质参数的匹配场反演和失配环境下水面噪声源的匹配场干扰抑制技术为主要的应用背景，从浅海声场的抛物方程建模分析、匹配场反演优化算法的构造、匹配场反演结果的不确定性评价算法的构造、失配环境下的匹配场干扰抑制算法的设计等方面进行了深入的研究。主要研究内容和取得成果有： （1） 依据广义邻域优化算法构造理论设计了匹配场反演所必须的全局优化算法。对现存优化算法的优缺点进行了对比分析，利用匹配场反演标准测试问题选择了构成混合优化算法的基本算法，并根据匹配场反演问题的特点确立了混合优化算法的结构和混合原则，提出了衡量算法性能的指标。最后利用标准测试问题对新、旧算法的性能进行了对比分析，表明混合寻优算法是高效的。 （2） 应用贝叶斯分析与推断理论，研究了匹配场反演结果的不确定性问题。建立了完全贝叶斯分析与经验贝叶斯分析的数学模型，并讨论了与不同模型相关的计算复杂性问题。用标准测试问题，分别就小维度参数反演问题和高维度参数反演问题进行了详细的定性与定量的分析。对于参数数量少的小维度参数反演，重点分析了数值计算模型的精度。利用所导出的解析解，从反演频率的高低、使用频率的数量多少、信噪比的变化等方面检验了数值模型的精确性，结果表明数值模型能完全满足匹配场反演结果不确定性分析的要求。在高维参数反演的场合，已有的分析表明，计算复杂度与反演参数数量呈指数关系。应用上述数值分析模型和高等统计模拟计算方法，导出了一种基于全局优化算法的不确定性量化算法，在计算精度与计算时间上达到了较好的平衡。 （3） 进行了匹配场反演方法的试验数据验证。运用1993年SACLANT中心ELBA岛浅水试验数据，对本文提出的算法进行了全面的检验与验证。利用所获得的数据，对不同频率范围、不同时段的数据分别进行了反演。对各种反演情况下的反演结果进行了对比分析，并对反演结果进行了解释。结果表明本文提出的算法能够应用于实际。 （4） 进行了稳健匹配场噪声抑制算法研究。对常规空域滤波器对环境参数失配敏感的原因进行了分析，提出使用扰动环境参数，结合具体的搜索位置，利用离散Karhunen-Loeve展开对获得的拷贝场向量进行处理，以获得新的对环境参数失配稳健的特征向量。同时基于稳健空域滤波器设计过程中优化变量多，直接优化所得的空域滤波器性能较差的事实，提出使用离散余弦变换来降低空域滤波器的维数，减少优化变量数，提高空域滤波器性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 匹配场反演的历史与现状
• 1.1.2 匹配场噪声抑制的历史与现状
• 1.2 研究意义与目的
• 1.3 本论文的内容安排
• 第二章 声场的抛物方程建模技术分析
• 2.1 引言
• 2.2 基于抛物方程的声场建模技术
• 2.2.1 RAM、FOR3D、UMPE模型的递推关系的建立与分析
• 2.2.2 RAM、FOR3D、UMPE模型的初始场的构造
• 2.2.3 RAM、FOR3D、UMPE模型的边界条件
• 2.3 标准测试环境下的建模结果比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于广义邻域搜索的全局混合优化算法设计
• 3.1 引言
• 3.2 广义邻域搜索算法的统一结构与性能度量
• 3.2.1 邻域函数及其定义
• 3.2.2 广义邻域搜索算法及其设计要素
• 3.2.3 广义邻域搜索算法的统一结构及其性能指标
• 3.3 用于构成匹配场反演混合优化算法的子算法选择
• 3.3.1 子算法的选择与测试环境分析
• 3.3.2 DHS算法在匹配场反演中的性能分析
• 3.3.3 DE算法在匹配场反演中的性能分析
• 3.4 匹配场反演混合优化算法设计
• 3.4.1 混合优化算法的设计原理与流程
• 3.4.2 DHSDE算法在匹配场反演中的性能分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 匹配场反演结果的贝叶斯分析与推断
• 4.1 引言
• 4.2 匹配场反演中的贝叶斯理论
• 4.3 匹配场反演不确定性的定量分析:小维度参数情况
• 4.4 匹配场反演不确定性的定量分析:高维分析
• 4.5 随距离变化环境下的反演
• 4.5.1 Benchmark2001的简要介绍
• 4.5.2 测试案例1
• 4.6 本章小结
• 第五章 匹配场反演方法的试验数据验证
• 5.1 ELBA岛实验简介
• 5.2 随距离变化环境基线图与反演变量表
• 5.2.1 利用RM5信号源进行反演
• 5.2.2 利用RM2信号源进行反演
• 5.3 本章小结
• 第六章 稳健的匹配场噪声抑制技术
• 6.1 引言
• 6.2 失配环境中的稳健匹配场定位算法
• 6.2.1 稳健定位算法的原理
• 6.2.2 算法定位性能的仿真分析
• 6.2.3 算法定位性能的试验数据分析
• 6.3 稳健矩阵滤波器设计的优化表示
• 6.3.1 矩阵滤波器设计的优化模型
• 6.3.2 矩阵滤波器设计中的计算问题
• 6.3.4 用矩阵滤波器预处理数据
• 6.4 算法仿真
• 6.4.1 精确环境参数下的算法性能
• 6.4.2 失配环境参数下的算法性能
• 6.5 讨论
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 主要研究内容、成果和结论
• 7.2 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢