论文标题:海洋混响动力学建模及其处理研究
The Study of Underwater Reverberation Modeling and Processing Based on Dynamical System
论文作者 蔡志明
论文导师 杨士莪,论文学位 博士,论文专业 水声工程
论文单位 哈尔滨工程大学,点击次数 113,论文页数 135页File Size8850k
2001-12-01论文网 http://www.lw23.com/lunwen_143881732/ 海洋混响;动力学;模型;信号检测;信号分离
ocean reverberation;dynamics;modeling;signal detection;signal separation
海洋混响是主动声纳的主要干扰之一。克服混响干扰一直是主动声纳信号处理理论和实践的一个重要课题，至今还没有得到完满解决。长期以来，混响一直被视作为随机过程，因此围绕这一课题的种种努力也局限在统计理论及其方法的范围之内。近年来在迅速发展的非线性动力学理论指导下的大量研究揭示出，许多表面上看来极其复杂的不规则的无序行为来源于确定性非线性动力学系统的内在规律，即所谓的混沌现象。某些表面上呈现随机性的信号与系统可能具有确定性的本质。根据这一思想，本文提出混响的非线性动力学建模，即非线性确定性建模，从而给出认识混响过程的另外一个全新的角度。 本文首先讨论混响观测序列的动力学分析，包括重构相空间分析和最大Lyapunov指数计算。混响数据是在专门设计的水池实验、湖上试验和海上试验中现场采集的。分析结果一致地表明混响序列的重构相空间维数可低至4～5，低噪声情况下(如水池混响)取最小下限。在可视的三维相空间中，混响重构吸引子的相图呈环形结构，其结构特点介于纯随机过程的均匀无规则散布与确定性正弦周期信号的规则圆形之间。混响序列的最大Lyapunov指数为正(0＜λ_1＜0.3bits/iteration)。所有定量的与定性的分析结果揭示了混响可以建模为低维动力学系统。 本文分别用三层MLP神经网络和线性一阶映射多项式对混响进行全局非线性建模和局部线性建模及预测性能分析。定义平均相对预测误差作为性能指标，研究混响序列的基于动力学模型的预测能力。分析结果显示混响序列具有短时可预测性质。预测误差在10％以内的可预测长度在几个采样周期到几百个采样周期之间，依参考样本集的容量、混噪比的大小以及发射信号的形式而变。短时可预测性与正的最大Lyapunov指数说明混响动力系统有混沌属性。比较经典的随机AR模型和局部动力学线性模型的预测性能，发现后者平均相对误差小，可预测长度长。这个事实在一定程度上(至少从预测的角度看)说明混响过程更适合于确定性建模。 信号分离是指在相空间中估计混响动力学轨道，从观测中减去估计的混响，从而分离出目标回波。本文重点研究两种分离算法，其一是基于混响动力学局部模型的“一步预测—抵消”法，其二是基于混响动力学轨道分布性质的变尺度概率净化法。用实测混响和目标回波数据研究算法的信号分离效 ． 哈尔滨工程大学博士学位论文——．果。计算结果表明，“预测一抵消”算法对混响有平滑作用，对回波则有突出信号边缘的作用，单通道情况下的最小可检测信号干扰背景功率比约为odB。概率净化算法在信号干扰背景功率比大于6dB的情况下能有效分离回波、抑制混响。
Oceanic reverberation,the fiercest interference to the active sonar,should be suppressed by the sonar signal processing. This is an important problem that has not been solved successfully. All approaches to the problem are based on the statistic theory up to now,because the reverberation is considered as a stochastic process traditionally. In recent years,some researches by the nonlinear dynamics on some physical systems discover the deterministic natures that mismatch their disorder behavior. This is chaos that possesses regular characteristics but exhibit irregular observation to the system like random. Under the illumination remark of chaos,this thesis raises the idea of modeling oceanic reverberation as an observation of a nonlinear deterministic system by the dynamics. The purpose is getting a new look to the reverberation.The paper presents at first the dynamical analysis of the reverberation observation,including the reconstructed phase space and the maximum Lyapunov exponent. The observation data are collected from some specific experiments in the laboratory cistern,the lake and the ocean. The consistent results subject to the different observations show that the dimension of reconstructed phase space is 4 or 5,the less noise contained in the observation the smaller dimension. In the visual 3-dimensional phase space,the reconstructed attractor of the reverberation exhibits round structure,which contradicts to the irregular distribution of noise and is comparable to the regular circle of periodic wave. The maximum Lyapunov exponent is positive (0 |
