基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲波傳播衰減水下未知聲源定位方法的研究

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1、ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHONUNDERWATERUNKNOWNSOURCEPOSITIONINGBASEDONWIRELESSSENSORNETWORKSANDSOUNDPROPAGATIONLOSSAuthor：ZhangHanSpecialty:DesignandConstructionofNavalArchitectureandOceanStructureAdvisorⅠ:Pro

2、f.LianLianAdvisorⅡ:FuBinSchoolofNavalArchitectureandOceanandCivilEngineering;ShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJanuary23,2011萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲波傳播衰減的水下未知聲源定位方法研究摘要海洋對(duì)于人類(lèi)的生存與發(fā)展具有極大的重要性。海洋作為資源的寶庫(kù)是地球上尚未充分開(kāi)發(fā)利用的最大領(lǐng)域,它在解決人類(lèi)面臨的人口、資源、環(huán)

3、境等三大難題方面將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。因此,自上世紀(jì)60,70年代以來(lái),世界各國(guó)開(kāi)始大規(guī)模向海洋進(jìn)軍,迄今海洋開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)取得很大進(jìn)展。現(xiàn)代海洋開(kāi)發(fā)的一個(gè)顯著特點(diǎn),是開(kāi)發(fā)規(guī)模和領(lǐng)域迅速擴(kuò)大,海洋產(chǎn)業(yè)日益增多,特別是對(duì)于深海開(kāi)發(fā)和海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展較快。不管是深海開(kāi)發(fā)還是海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)，對(duì)于水下目標(biāo)的探測(cè)定位都是異常重要的。在海底勘探時(shí)需要有一定的定位系統(tǒng)配合，這些系統(tǒng)可以在局部海域?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行高精度的定位。水下定位系統(tǒng)有很多種，如短基線系統(tǒng)，超短基線系統(tǒng)，長(zhǎng)基線系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及組合的導(dǎo)航系統(tǒng)等等。但是現(xiàn)行

4、的水下定位系統(tǒng)設(shè)備成本高、笨重不易裝卸，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差定位范圍有限，定位精度受障礙物影響大。并且，現(xiàn)行水下定位開(kāi)發(fā)應(yīng)用還需定位系統(tǒng)支持全海域的監(jiān)測(cè)以及對(duì)水下未知目標(biāo)的探測(cè)定位。本文首先從海洋開(kāi)發(fā)的應(yīng)用背景以及需要的高技術(shù)方面進(jìn)行歸納研究，然后對(duì)于其中至關(guān)重要的水下定位技術(shù)方面著手，分析了水下定位技術(shù)的研究前景和現(xiàn)狀，介紹了本文的兩個(gè)重要原理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲波傳播衰減的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用背景，然后闡述了本文的研究目的和研究意義，并對(duì)論文的主旨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述。其次，提出了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和聲波衰減原理的水下

5、未知聲源第I頁(yè)萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需載波、無(wú)需精密測(cè)量時(shí)間差的實(shí)時(shí)測(cè)距，從而大幅減低節(jié)點(diǎn)設(shè)備成本和功耗。簡(jiǎn)要敘述了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成和具體的定位流程，闡述了不同水聽(tīng)器基陣結(jié)構(gòu)的形狀，對(duì)于已知聲源定位技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了未知聲源定位相對(duì)與已知聲源定位的數(shù)據(jù)處理方面的難點(diǎn)，并提出了基于FFT頻譜分析的數(shù)據(jù)處理方法，然后提出了未知聲源定位的數(shù)學(xué)模型和定位計(jì)算算法。再次，對(duì)于不同水聽(tīng)器基陣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，分析了水面多徑反射及噪聲對(duì)于定位精度的影響。另外，

6、提出了基于多個(gè)特征頻率求平均值的修正方法，并對(duì)修正結(jié)果進(jìn)行分析和闡述。最后，在上海交通大學(xué)深海實(shí)驗(yàn)水池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了聲波傳播衰減原理應(yīng)用于未知聲源定位的可行性，并且分析其定位精度，運(yùn)用多個(gè)特征頻率的修正方法修正實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文中，我們提出了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲波傳播衰減的新方法，來(lái)對(duì)未知聲源進(jìn)行定位。我們采用理論分析，水池實(shí)驗(yàn)，數(shù)值仿真結(jié)合的方式來(lái)對(duì)在背景噪聲和多徑反射下未知聲源的聲壓信息分析方法進(jìn)行分析，并得到了傳播衰減于距離的函數(shù)關(guān)系，為低成本水下定位技術(shù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：水下定位,未知聲源，聲

7、波傳播衰減，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基陣，特征頻率第II頁(yè)萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTRESEARCHONUNDERWATERUNKNOWNSOUNDSOURCEPOSITIONINGBASEDONSENSORNETWORKSANDSOUNDPROPAGATIONLOSSABSTRACTOceanisaplaceofgreatimportancefortheexistenceanddevelopmentofmankind.Asatreasuretroveofmarineresources,oceanis

8、thebiggestfieldthathasn’tyetbeenfullyexploitedontheearth,whichensuresthatitplaysasamoreandmoreimportantroleinaddressingtoughissuesashumanpopulation,resourceandenvironment.Therefore