基于贝叶斯学习的信号源定位技术研究文献综述

 2022-10-29 08:10
  1. 文献综述(或调研报告):
  2. 反向问题(Inverse problems)[8]

估计(Estimation)确定了信号(源或介质)中某个特定参数,比如确定从一个声音源发出的在水声阵列上接收到的信号的方位角。在复杂的情况下,Estimation所产生的问题就是反向问题。

图1 浅海波导环境示意图

和反向问题对应的就是前向问题(Forward problems)。上图展示的是一个声源在一个理想的二维海洋波导中。表面和底层是波导的边界。如果声源频率、海洋深度、底层特点、声源到垂直阵列的距离和声源的深度已知,就能获得一个简单的传播模型,在阵列附近的海洋域就能够被计算。这就是前向问题。而反向问题就是知道传播模型以及上面所提到一些参数,求声源的位置。

  1. 压缩感知(Compress Sensing, CS)

奈奎斯特采样定理要求在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的两倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。而压缩感知作为一个新的采样理论,通过利用信号的稀疏性,在远小于奈奎斯特采样率的条件下,用随机采样获取信号的离散样本,然后通过非线性重建算法重建信号。

压缩感知的应用领域包括无线通信、阵列信号处理、成像、模拟信息转换、生物传感等。本次研究的信号分离就属于其中的阵列信号处理。通过对目标出现角度在整个扫描空间中的稀疏限制,可以进行压缩感知的波达方向(Direction of arrival, DOA)估计。DOA是指空间信号的到达方向,即信号到达阵列参考阵元的方向角。DOA估计问题属于欠定的线性反向问题。

稀疏贝叶斯学习在稀疏信号恢复上属于一种压缩感知算法,又可以称为贝叶斯压缩感知。

  1. 稀疏贝叶斯学习(SBL)

稀疏贝叶斯学习最初由Tipping[1]提出,后由Wipf[2]引入到压缩感知领域,开始被用作信号处理。其基本方法如下:

a.首先是建立模型。线性回归模型:,其中A为的感知矩阵,为维压缩信号,为M维待求的解向量(输入信号),为未知的噪声向量。为求,SBL假设都服从均值为0方差为的高斯分布:

其中表示中的第i个元素,是未知的参数,将会通过算法自动估计。

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