1、本論文試圖從機器學(xué)習(xí)角度探討從水聽器測量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)聲源位置信息的問題。在優(yōu)化算法指導(dǎo)下，機器學(xué)習(xí)通過最小化模型拷貝與實際測量數(shù)據(jù)之間在特定代價準則下的誤差來進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的匹配場處理（Matched-field processing，簡稱MFP）方法（例如:Bartlett相關(guān)器，最大似然估計器和最小方差無失真響應(yīng)估計器等）是通過在聲源位置參數(shù)空間內(nèi)網(wǎng)格搜索參數(shù)并選取估計器模糊度輸出峰值處對應(yīng)的參數(shù)來作為估計值。模糊度輸出的倒

2、數(shù)可以看做是一種廣義的誤差、網(wǎng)格搜索是一種最平白的參數(shù)搜索策略、待估計的參數(shù)反映的即是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，因此說機器學(xué)習(xí)囊括了傳統(tǒng)的匹配場聲源定位方法。本論文將匹配場處理建立在機器學(xué)習(xí)框架之下，選取基于信息理論原則的代價準則，來實現(xiàn)對拷貝模型與實際測量數(shù)據(jù)在信息意義下的距離測量。
　　目前有很多信息理論方法來測量信息之間的距離，其中最常用的就是散度。本論文選取了在信息論和信號檢測中有廣泛應(yīng)用的f-散度進行重點研究。f-散度包含信息論中

3、廣為人知的相對熵，其偶對稱形式被稱為信息散度。f-散度也包含了Hellinger積分，它可以構(gòu)成信號檢測理論中著名的錯誤概率下限Chernoff Bound。Bhattacharyya系數(shù)是Hellinger積分控制參數(shù)等于常數(shù)1/2時的結(jié)果，它可以不失一般性地表征信號檢測問題的錯誤概率上、下限，其倒數(shù)的自然對數(shù)是可以測量信息間距離的Bhattacharyya距離。在信息理論框架之內(nèi)，本論文選取Bhattacharyya距離作為代價準則

4、，并仿照最小化相對熵得到最大似然估計器的方式獲得了最小化Bhattacharyya距離估計器。
　　雖然高斯分布不能保證對測量數(shù)據(jù)的實際分布進行精確的表征，但是它通常是最合理的選擇。高斯分布具有中心極限定理、便于理論分析時的解析推導(dǎo)及易于生成其他分布的特性，使得它卓越不凡。特別的是，當隨機過程的一、二階矩已知時，高斯分布可以最大化Cramér-Rao限。這樣，任何基于Cramér-Rao限的優(yōu)化準則在高斯分布下就成為了一種Min-

5、Max優(yōu)化準則，即最小最大化的Cramér-Rao限。由于Cramér-Rao限是無偏估計可達的方差理論下限，該特性對于無偏估計方法的性能評估具有顯著的指導(dǎo)意義。
　　本論文中，假設(shè)信號和噪聲隨機過程均服從零均值高斯分布，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性可以完全由協(xié)方差矩陣表征。實際的匹配場處理過程中，受有限信號平穩(wěn)時間、相位無失真帶寬等因素影響，只能獲得有限的有效數(shù)據(jù)樣本。此時，通過最大似然估計方法獲得的采樣協(xié)方差矩陣就會因數(shù)據(jù)量有限而與數(shù)據(jù)的真

6、實協(xié)方差矩陣存在誤差，導(dǎo)致統(tǒng)計特性失配、數(shù)據(jù)信息的失真。因此，發(fā)展能夠在統(tǒng)計特性失配情況下穩(wěn)定工作的匹配場處理方法具有重要的意義。
　　本論文對匹配場聲源定位問題中的信號、噪聲和傳播過程分別進行了建模。信號和噪聲均選擇了零均值圓對稱的復(fù)高斯隨機模型。在該模型下，以最小化Bhattacharyya距離估計器為基礎(chǔ)推導(dǎo)出數(shù)學(xué)形式簡潔、對稱的匹配協(xié)方差估計器（Matched-CovarianceEstimator，簡稱MCE）。該估計器

7、通過匹配模型拷貝協(xié)方差矩陣和測量數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的方式來進行參數(shù)估計，使得MCE具有對多秩信號參數(shù)估計的能力。對于噪聲模型而言，本論文依據(jù)匹配場處理過程中的實際特點將噪聲建模為空間白的本地噪聲和空間相關(guān)的傳播噪聲場。其中傳播噪聲又可分為離散分布噪聲（如:點干擾噪聲）和連續(xù)分布噪聲（如:海面生成噪聲）。傳播噪聲因歷經(jīng)與聲源信號相類似的水聲信道傳播，存在空間相似性，而對匹配場處理方法提出額外的挑戰(zhàn)。在傳播模型方面，本論文針對三種典型聲源定位問

8、題選取了三種各具代表性的模型:1）針對深海、自由場環(huán)境中的聲源定向問題，選擇了單模態(tài)平面波模型;2）針對淺海平穩(wěn)波導(dǎo)環(huán)境下的聲源定位問題，選擇了多模態(tài)全波場模型;3）針對淺海起伏聲場中的定位問題，選擇了最近發(fā)展的多模態(tài)、多相干模態(tài)組模型。
　　本論文通過在不同類型聲源定位問題中，對不同代價準則下的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)性能比較，來從不同的角度評估機器學(xué)習(xí)架構(gòu)下的匹配場聲源定位性能。綜合深海自由場、淺海全波場及淺海起伏聲場的聲源定位仿真結(jié)果，