贝叶斯估计与跟踪实用指南
贝叶斯估计与跟踪实用指南pdfBayesianEstimationand Tracking园冒国后固目Bayesian Estimation and TrackingA practical Guide内容简介非高斯系统估计的文献一般都存在缺少实用方法的缺点,而高斯方法又缺乏严密、有组织的推导《贝叶斯估计与跟踪实用指南》一书设法解决这个领域中的不足,为读者提供全面的高斯噪声与非高斯噪声驱动的线性与非线性动态系统估计方法的介绍。本书特点在于提供了贝叶斯估计与跟踪的统一方法,重点强调了在贝叶斯框架下所有跟踪算法的推导过程,还给出了用于计算加权密度积分的高效的数值方法,包括加权高斯积分的线性与非线性卡尔曼滤波器,以及非高斯情况下的粒子滤波器。作者首先给出每种估计方法基本原理的详细推导过程,然后分步骤对每一种方法进行详细说明,使得跟踪滤波器的编码更简单易懂。本书利用了案例分析来展示所研究内容的应用。此外,该书还为每个算法提供了框图,让读者可以自己开发 MATLAB估计方法软件工具箱。《贝叶斯估计与跟踪实用指南》是一本优秀的估计与跟踪方法课程的研究生教材。本书还适用于估计与跟踪领域的科学研究人员、数学研究人员和工程技术人员,对他们具有重要的实际应用价值。对广大科技工作者来说,也是一本非常有价值的参考书。作者简介安东,J霍格,博土,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室科研人员,他为防空和导弹防御系(AMDD)提出了先进的目标跟踪方法。霍格博士的研究领域包括目标跟踪,信号和阵列处理与处理设计,主动、被动雷达和声纳设计,数字通信和编码理论以及时间频率分析。责任编辑:牛旭东xinwu@ndip.cn责任校对:苏向颖上架建议:计算机视觉封面设计:蒋秀芹httpt//www.ndip.enISBN978-7-118-09321-6WILEYWILEY eEsCopies of this book sold withouta Wiley sticker on the cover are9W78z118m0932161>unauthorized and illegal定价:79.00元装备科技译著出版基金贝叶斯估计与跟踪实用指南Bayesian Estimation and Tracking: A Practical Guide[美] Anton J.Haug著王欣于晓译图F荤版社北京著作权合同登记图字:军-2013-200号图书在版编目(CIP)数据贝叶斯估计与跟踪实用指南/(美)豪格(Hang,A.J)著;王欣,于晓译.一北京:国防工业出版社,2014.5(高新科技译丛)书名原文 Bayesian estimation and tracking:apractical guideISBN978-7-118-09321-6I.①贝…Ⅱ.①豪…②王…③于…Ⅲ.①贝叶斯估计-指南②贝叶斯估计一应用一目标跟踪一指南Ⅳ①0211.67-62②TN953-62中国版本图书馆CIP数据核字(2014)第068301号Authorized translation from the English language edition, entitled Bayesian Estimation andTracking, ISBN 978-0-470-62170-7, by Anton J. Haug, published by John Wiley SonsCopyright C 2012 by John Wiley Sons, Inc.All rights reserved. This translation published under license. No part of this book may be repro-duced in any form without the written permission of the original copyrights holderCopies of this book sold without a Wiley sticker on the cover are unauthorized and illegal本书简体中文版由 John Wiley&sons,lno.授权国防工业出版社独家出版。版权所有,侵权必究。阍前有:原社出版发行(北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码100048)北京嘉恒彩色印刷有限责任公司新华书店经售开本710×10001/16印张19%字数370千字2014年5月第1版第1次印刷印数1—2000册定价79.00元本书如有印装错误,我社负责调换)国防书店:(010)88540777发行邮购:(010)88540776发行传真:(010)88540755行业务:(010)88540717前言本书以基本原理为出发点,阐述了贝叶斯估计滤波器的完整的发展历程。书中硏究了由高斯噪声和非髙斯噪声驱动的线性、非线性动态系统。这里假设动态系统是连续的,因为只有在研究离散滤波器的时候,才会在离散时间对系统进行观测。本书的主要目标是给读者提供过去60年来所提出的大部分贝叶斯估计方法的一致性的全面描述,以表明每种以贝叶斯范式为基础的基本思想是如何与条件密度相关的。学习本书内容需要的预备知识包括线性代数、贝叶斯概率理论以及有限差分和插值的数值方法。书中第2章介绍了所有这些主题以及掌握书中其它内容所需的基础知识书中涵盖的部分内容来自于马里兰大学帕克分校数学系的一门研究生课程。该门课程的主要目的是让学生自己开发目标跟踪算法的 MATLAB工具箱。课后给学生们提出一些特定的跟踪问题,要求编写一个或多个 MATLAB子程序来实现某些跟踪方法。一般来说,学生开发的子程序是独立的,并且可以应用于多种难度不大的跟踪问题(例如,纯方位跟踪)。本书不包含任何习题集,使用本书的读者可以根据需要来调整跟踪问题的作业。此外,本书包含4个相当复杂的实用案例,使用本书的老师可以选择其中之一作为编码作业的框架。第一个案例贯穿本书的第Ⅱ和第Ⅲ部分;其余的3个案例则被分成了单独的章节,构成了本书的第Ⅳ部分。本书有两个鲜明特点:①运用大量的表格和图形,给出每种估计方法基本原理的详细推导过程;②每种方法都有非常详细的分步指导,使得跟踪滤波器的编码简单且易于理解。递推贝叶斯估计可以求解转移函数或变换函数的加权条件密度积分。转移函数反映动态状态向量随时间变化的路径,变换函数将状态向量变换成观测向量。有多种求解积分的数值方法,每种都有不同的估计方法。本书第Ⅱ部分和第Ⅲ部分的每个章节都涵盖求解这些积分的一个或多个数值逼近方法,第Ⅱ部分是高斯加权积分的卡尔曼滤波器方法,第Ⅲ部分是未知密度的加权密度积分的粒子滤波器方法。本书是作者在此领域多年研究的成果,希望能为贝叶斯估计和跟踪研究做出贡献。同时,也希望在研究改进这些方法并将其应用到新领域、解决新问题的基础上,本书能够开拓贝叶斯估计和跟踪研究的新方向。Anton J. haug目录刊言Ⅲ第Ⅰ部分预备知识第1章简介…………………………………………31.1贝叶斯推理…1.2贝叶斯层次估计法1.3本书研究范畴1.3.I目标1.3.2章节概述…1.4用 MATLAB⑧进行建模和仿真参考文献…第2章数学基础2.1矩阵线性代数简介9992.1.1矢量与矩阵的约定与记法…2.1.2和与乘积……………………………………………………102.1.3矩阵的逆…2.1.4分块矩阵的逆112.1.5矩阵的平方根…………………………………2.2矢量点发生器…………122.3多参数多维非线性函数估计………………………………152.3.1标量非线性函数估计152.3.2多维非线性函数估计182.4多变量统计概述……232.4.1一般定义32.4.2高斯密度………………………………………25参考文献………………………………………………………31第3章贝叶斯估计的基本概念……333.1贝叶斯估计3.2点估计式343.3基于概率密度函数的递推贝叶斯滤波器…363.4基于状态均值和协方差的递推贝叶斯估计,,,着.383.4.1状态矢量预测……393.4.2状态矢量更新…403.5一般估计方法讨论………………………………42参考文献43第4章实用案例:初步探讨4.1仿真、估计与评价过程,,,,,,,.,,,.非,,..,,鲁非·4.2利用DFAR浮标场进行匀速运动目标跟踪的场景仿真………454.2.1船舶动态模型………………………454.2.2多浮标观测模型464.2.3场景属性………………………………464.3 DIFAR浮标信号处理4.4DFAR似然函数……………………………………………53参考文献55第Ⅱ部分高斯假设:卡尔曼滤波估计器第5章高斯噪声:高斯加权分布的多维积分595.1第3章中重要结论总结5.2回顾卡尔曼滤波器校正(更新)方程的推导…………615.3贝叶斯点预测积分求解高斯密度5.3.1利用仿射变换来简化流程…645.3.2求解高斯加权积分的一般方法66参考文献…………………………68第6章线性卡尔曼滤波器706.1线性动态模型……………………………………………706.2线性观测模型…716.3线性卡尔曼滤波器…6.4IKF在 DIFAR浮标方位估计中的应用,,·,,,·.,,,..,.1.,·Ⅵ参考文献74第7章线性化卡尔曼滤波器:扩展卡尔曼滤波器…767.1一维情况………………767.1.1-维状态预测767.1.2一维状态估计误差方差预测777.1.3一维观测预测方程7.1.4一维预测方程的变换……787.1.5一维线性化EKF过程7.2多维情况………………………807.2.1状态预测方程817.2.2状态协方差预测方程………………………817.2.3观测预测方程……837.2.4多维预测方程的变换837.2.5线性化多维扩展卡尔曼滤波器过程………857.2.6二阶扩展卡尔曼滤波器…867.3多维协方差预测方程的另一种推导……7.4EKF在DFAR船舶跟踪的应用案例分析887.4.1船舶运动动态模型…………………………887.4.2 DIFAR浮标观测模型…………887.4.3初始化卡尔曼滤波器族中所有滤波器907.4.4选定加速度噪声参数………………………917.4.5EKF跟踪滤波器结果参考文献……93第8章 Sigma点类别:有限差分卡尔曼滤波器……948.1一维有限差分卡尔曼滤波器………………………………948.1.1一维有限差分状态预测…948.1.2一维有限差分状态预测……………………………968.1.3一维有限差分观测预测方程…968.1.4一维有限差分卡尔曼滤波器过程………………………968.1.5简化的一维有限差分预测方程978.2多维有限差分卡尔曼滤波器……………………………988.2.1多维有限差分状态预测…988.2.2多维有限差分状态协方差预测1008.2.3多维有限差分观测预测方程101Ⅶ
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汽车噪声与振动-理论与应用
汽车NVH领域的经典入门读物，引领进入汽车振动噪声研究的最佳选择。第一章管道声学(1.12)时,声压幅值达到最大,反节点的位子是:(1.13)驻波是由频率相同的向右传播的入射波和向左传播的反射波迭加而成。驻波并不是运动的波,而是静止的,这是“驻”波名称的由来。波表示管道中的声音的模态。对於长度一定的管道来说,由于有许多频率的波,因此也就有很多驻波。这里所提到的驻波是假设管壁刚硬,所冇声波遇到管壁时全部被反射回来。可是实际上,管端壁不是完全刚性,因此反射波的声压不完全等於入射波声压,因此在节点处,入射波和反射波不可能完全抵消。但是这些点处的声压大部分被抵消,声压最低。第二节管道声阻抗阻抗是指当对媒质受到压力或者搾动力时,媒质会对传播产生阻碍。管道中的声学阻抗Z,定义声压与质点体积速度的比值,即(1.14)式中,u,U和S分别是管道中的速度,体积速度和截面积。体积速度与质点速度的关系为:L=SL。声吝在管道內传播,当管道的截面积发生变化的时候,声阻抗也发生变化。图1.3是截面积变化的管道,在变截面的地方,由于阻抗发生变化,一部分入射波就会被发射回原来的管道而另一部分入射波会在新的截面管道中继续传播。抗性消音器的工作原就是基于这种阻抗的变化。声波从发动机出来并在进气或者排气系统中传播,当遇到消音元件或者截面积变化时,入射声波被反射回发动机声源,从而抑制声音的传播。进排气系统中声阻抗不匹配的情况主要有截面积变化,主管道中插入了其他管道(如旁支消音器等),管道开口通往大气等等图1.3截面积变化的管道进排气系统中管道的长度都是有限的。图1.4表小一个长度为L的管道。假改管道两端的声阻抗分别已知,即在=处,声阻抗为,在=处,声阻抗为由公式(1.6)和(1.9),可以得到管道中仟一点的声阻抗为管道声学图1.4长度为L的管道将=代入公式(1.15)中,得到该处的声阻抗为:将三代入公式(1.15)中,得到该处的声阻抗:公式(17)可以重新写成下面的形式18将方程(1.16)代入到方程(1.18中,消除和,就得到输入声阻抗和输出声阻抗的关系,如下第一章管道声学(1.20第三节管口封闭与管口敞廾声波从管道入口端发射出来,传播到尾端。管道尾端通常有两种情况,一种是开口的,如进气管口,排气尾管口;另一种是封口的,如四分之一波长管。下面就来分析这两种尾端的声学特征。1.开∏-封闭管道图1.5表示管道尾端封闭状况。声音在管道里问石传播,当声波碰到刚性的封闭端时,声波被全部反弹冋来,再向左传播管口封闭图1.5开凵封闭管道对一个刚性的封闭口来说,其声阻抗为无穷大,即>0,根据公式(1.19),得到:1.21)声阻抗可以写成下面的形式:(1.22)式中R和粉别是阻抗的实部和虚部,R为声阻,称为声抗。声阻取决于结构的材料特性,而声抗则取决」结构的儿何特性。当声抗为零的时候,结构就发生共振。公式(1.21)中的声阻抗也可以写成公式(1.22)那样的形式,为(1.23)上式如果满足下亩的条件:(1.24)即,那么这个开口-封闭管道就发生共振,其固有频率为:(1.25)当n-=1,2,3,.,时,分别对应著管道第·阶、第二阶、第三阶,,.,等阶次频率图1.6是管道声波的第一阶和第阶模态。这个声波在封闭端时,声压达大最大值,然后发射第一章管道声学到入口处,使得入口端的声压为零,即在开口端形成驻波节点。四分之一波长管就是应用这个原理来工作的。图1.6管道声波的第一阶模态(A)和第二阶模态(B)公式(1.25)可以转变为管道长度与波长的关系,表达如下1.26)当n=1时,管道的长度是波长的四分之,即:。所以这种开∏封闭的管道通常叫著四分之一泼长管2.开口开口答道图1.7为一个尾端开口的管」。声波从入口端向右传播进入开口端时,声音与大气产生声耦合。大气的辐射声阻抗会将一部分声波返回管口敞开图1.7开口-开口管道声波在尾端的声阻抗为周围坏境的声阻抗,也就是说这个声阻抗不为零。为了使问题简化起见,我们先假设这个阻抗为零,然后再对所得到的结构进行修正。如果在x=处的声阻抗为零,那么由公式(1.19)可以得到下式(1.27)同样,当这个声阻抗中的声抗为零的吋候,管道就发生共振,这时必须满足:即:这时,开口-开口管道的共振频率为:当n=1,2,3,,时,分别对应著管道第一阶、第二阶、第三阶,.,等阶次频率第一章管道声学图1.8是开口-开口管道声波的第一阶和第二阶模态。图1.8开口-开口管道的第一阶模态(A)和第二阶模态(B)公式(1.30)可以转变为管道长度与波长的关系,衣达如下(1.31)3.开口管道的修正在推导尾端廾口公式时,我们假设了出口周围坯境的声阻抗为零,但是实际上这个阻抗不为零,因此必须对公式(1.27-1.31)的结论做修止。对图1.9这样的开∏终端,被称为自由自由开口。该开口处的声阻抗为:等效管图1.9自山开口-开口修正管道山于管道的直径非常小,因此和都远远小于1。山公式(1.27)和(1.32)得到:(1.33)这样,管道内的频率为34)管道长度与波长的关系为(1.35这样管道的长度比声阻抗为零的时候要短些,也就是说好像有一根等效的延长管与原来的管道相连接。管道的计算长度就是实际管子长度加上等效延长管长度△即第一章管道声学(1.36有时侯,在出口管处还会加类似与法兰的结构,如图1.10所示。这时,有效延长管的长度为△实际管子的长度为:△式中是管子的计算长度发等效管图1.10法兰开口-开口修正管道第四节四端网终分析进气系统或者排气系统都是有很多管道和消音元件组成。分析整个系统往往是非常复杂的,但是如果将系统分解到一些小的段落,那么分析起来就相对容易些。得到了每个段落或者是每个部件的分析结果,然后将之合成起来就得到了整个系统的结果。四端网络分析就是这种分析方法,在管道声学分析中得到了广泛的应用。对於管道中一小段质量(如图1.11)来说,动力方程可以写成如下:(1.39)式中,S是管道的截面积,是这个小质量段的长度,和分别是质量端两边的压力图1.11管道中一小段质量的受力分析公式(1.39)可以表达为(1.40)第一章管道声学对这一小段质量来说,假设两边的速度是相等的,即将这公式(1.40)和(1.41)写成矩阵形式,得到:(1.42)公式(1.42)建立起这段小质量块两边的压力和速度的关系。管道中小段质量块后端的压力和速度可以用它前端的压力和速度来表示。也就是说质量块后端与前端之间建立起来一种传递关系。同样对一个长度为L的管道(如图1.4所示)也可以得到管道两端的传递关系。在=处的压力和速度可以通过公式(1.6)和(1.9)分别求得(1.13)由以上两式可以得到和,如下:45(1.46根据公式(6)和(9),在处的压力和速度分别为将公式(1.45)和(1.46)中和的表达式代入公式(1.47)和(1.48)之中,就得到管道入冂与出∏之间声压和速度之间的关系,为:+49将公式(1.49)和(1.50)写成如下的矩阵形式第一章管道声学这样就得到了管道两边的压力和速度的传递关系。公式(1.51)可以简单地写成如下形式式中,被称为传递矩阵。如果管道的传递矩阵知道,那么只要知道管道端的压力和速度,就可以通过传递矩阵算出另一端的压力和速度。在传递矩阵两边分别是两个输入参数和两个输出参数。这四个参数的关系由传递矩阵来确定,因此这种表达方式称为四端网络法。上面介绍了小段质量和长度为L的管道的传递矩阵表达方法。这种方法可以推广到任何一个声学元件,其输入端和输出端的声压和速度都可以用四端网络米表示。图1.12代表某个声学元件i。图1.12一个管道元件的四端网终图这个元件两边的压力和速度关系为式中是传递矩阵,是传递矩阵系数。汽车的进气系统包括进气管道、空气过滤器、赫耳姆兹消音器、四分之波长管等。排气系统包括排气多支管、催化器、谐振器、消音器和管道等。一个系统如果由N个元件组成。而且每个元件的传递矩阵都知道,那么出声口的声压和速度就可以用声源的声压和速度来表示如下形式:(1.54)式中的L1是系统的传递矩阵,如下形式(1.55)
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