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研究生: 邱文勝
Chiu, Wen-Sheng
論文名稱: 到達時間與到達角度之量測及聲源反算之研究
Research on measurement of arrival time and arrival angle and source inverse calculation
指導教授: 涂季平
Too, Gee-Pinn
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 119
中文關鍵詞: 聲源定位到達角度類神經網路
外文關鍵詞: source localization, Artificial Neural Network, Arrival angle
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  • 本文分為三個小主題,第一,利用本系現有的水中聲學設備並配合National Instruments(美商國家儀器公司)生產之資料擷取卡等設備,實際建立一套M序列聲源與設計聲源訊號可發、麥克風可收之系統架構。並將此架構實現於拖航水槽中,將所設計的M序列聲源與設計聲源訊號在距離100公尺由水下麥克風或J9聲源發射器發射,經由水下麥克風接收,將所接收到之訊號做訊號處理以及交叉相關函數的計算,進而算出聲源訊號之到達時間。第二,利用國科會海洋聲學整合型計畫出海工作佈放垂直線陣列(Vertical Line Array, VLA)所收錄到的船舶噪音做為聲源並透過波束形成(Beamforming)計算出海中實驗之延遲時間與到達角度,並且以不同的訊號處理方式以及交叉相關函數的計算,得到不同的延遲時間與到達角度,並且做比較。第三,探討以聲線理論 ( Ray Theory ) 為基礎的淺海水聲被動定位法。運用聲線理論建立水下聲通道 ( channel ) 數學模型,分析接收器所接收到的物理量(到達角度),利用類神經網路解析連結聲源與接收器之間聲線物理量之相互關係,以達到求解未知聲源位置的目的。此主題探討聲線理論應用於淺海外,並應用類神經方法達到聲源模擬與定位的架構,配合非訓練數據集的新聲源點進行模擬,以驗證本論文定位方法與流程之正確性與可靠性。

    The paper contains three parts, First, by using underwater acoustic equipment with Data Acquisition System (made by National Instruments), an M-sequence source and a hydrophone receiving system is established and tested in the towing tank to measure arrival time from source to receiver. The system is tested by use of hydrophone and J9 sound source in the water tank with one hundred in distance. Cross-correlation functions between source signals and received signals are evaluated to obtain the arrival time of acoustic signal.
    Second, ship noise was collected by the vertical line array (VLA) in the sea test of acoustics experiment in 2006, Beamforming theory is used to evaluate delay time and arrival angle.
    Third, a passive localization for shallow water acoustic sources is developed in this thesis. Ray acoustic theory is used to establish underwater acoustic channel and to analyze physical quantities (arrival angle) received by sensors. Artificial neural network (ANN) is developed based on the input data (the arrival angle) and output data (the source location), The result of this network system is verified by using a non-trained source to prove its accuracy and reliability.

    摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖目錄 ⅤⅢ 表目錄 ⅩⅢ 符號表 ⅩⅣ 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 3 1.3研究動機與目的 4 1.4論文架構 7 第二章 相關理論 9 2.1 前言 9 2.1.1 調變(Modulation) 9 2.1.2 M序列(M-sequence) 10 2.1.3 M序列訊號的產生 11 2.1.4 交叉相關函數(Cross-Correlation Function) 13 2.1.5 波束形成法(Beamforming) 14 2.1.6 濾波處理 16 2.2 基礎聲線理論 20 2.2.1淺海環境聲波傳遞模式 20 2.2.2聲線理論 23 2.2.3 Snell’s Law之推導 24 2.2.4 聲線軌跡 26 2.2.5 聲速線性化 28 2.2.6 水下通道(Channel)的建立 29 第三章 倒傳遞網路 34 3.1 前言 34 3.2倒傳遞神經元模型 35 3.3 倒傳遞網路的訓練 39 3.3.1 倒傳遞網路的訓練方式 40 3.3.2 批次函數 40 3.3.3 牛頓演算法 41 3.4 Levenberg-Marquardt演算法 42 3.4.1 網路訓練流程圖 43 3.5 倒傳遞網路的設計分析 44 3.5.1改善網路廣義化的能力 46 3.6 數據的前處理 47 3.6.1 極大值和極小值 47 第四章 M序列聲源與設計聲源訊號之到達時間量測 50 4.1到達時間量測實驗 50 4.1.1實驗儀器及設備 50 4.1.2實驗目的、方法及步驟 54 4.1.3實驗流程 57 4.2 M序列聲源與設計聲源訊號之實驗結果 61 4.2.1 100m之M序列聲源量測結果 61 4.2.2 拖航水槽背景噪音 66 4.2.3 100m之設計聲源訊號量測結果 66 4.3結果與討論 69 第五章 波束形成之延遲時間與到達角度 73 5.1前言 73 5.2出海量測分析 73 5.3海中實驗之延遲時間與到達角度 78 5.3.1海中實驗之延遲時間 78 5.3.2海中實驗之到達角度 80 5.4波束形成之延遲時間與到達角度量測結果與討論 81 5.4.1延遲時間結果與討論 81 5.4.2到達角度結果與討論 82 第六章 倒傳遞網路模擬架構流程與結果 84 6.1前言 84 6.2基礎聲線理論參數的決定 84 6.3聲速線性分佈模擬架構 91 6.3.1聲速模擬架構與接收聲線物理量 91 6.3.2聲速線性分佈之類神經網路架構 101 6.3.3聲速線性分佈網路架構之驗證 103 6.4倒傳遞網路模擬結果 107 6.4.1訓練誤差 107 6.4.2測試誤差 108 第七章 結論與未來展望 111 7.1結論 111 7.2未來展望 113 參考文獻 118

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    下載圖示 校內:2008-07-18公開
    校外:2008-07-18公開
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