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第 37 卷 第 5 期 陈文剑等： 起伏海面环境下水声信道特性及估计方法 731

MP 算法和 OMP 算法的均方误差，此时 l 0 -LMS 算 [3] 王晋晋. 基于声传播模型的信道模拟与应用 [D]. 哈尔滨: 哈
法的信道估计性能更好。从图12(b) 中可知，当风速 尔滨工程大学, 2012.
[4] Li W, Preisig J C. Estimation of rapidly time-varying
为 12 m/s 时，三种算法的均方误差曲线较为相似。
sparse channels[J]. Oceanic Engineering, IEEE Journal of,
当信噪比较高时，OMP 算法的均方误差的下降速 2007, 32(4): 927–939.
度明显变快。因此，在此风速条件下，如果信噪比较 [5] Berger C R, Wang Z H, Huang J Z, et al. Application of
高，则OMP 算法的信道估计性能更好。 compressive sensing to sparse channel estimation[J]. IEEE
Communications Magazine, 2010, 48(11): 164–174.
[6] Guo S, He Z, Jiang W, et al. Channel estimation based
6 结论 on compressed sensing in high-speed underwater acoustic
communication[C]// Communications and Signal Process-
本文针对随机起伏海面环境下的水声信道特 ing. IEEE, 2014: 1–5.
性和估计方法展开研究，利用 Monte Carlo 方法建 [7] 郭立新. 随机粗糙面散射的基本理论与方法 [M]. 北京: 科学
立了基于 PM 海浪谱的随机起伏海面模型，讨论了 出版社, 2010.
[8] 孟昭然, 孙辉. 随机起伏界面声散射的实验与理论研究 [J]. 声
随机起伏海面的声散射对水声信道特性的影响以 学技术, 2014, 33(4): 299–303.
及此信道环境下的信道估计方法的性能，主要结论 Meng Zhaoran, Sun Hui. Experimental and theoretical
如下： study on acoustic scattering at random fluctuations[J].
Acoustics Technology, 2014, 33(4): 299–303.
(1) 随着声波频率的增加和风速的增大，相干
[9] 王永棒, 尹爽, 陈文剑, 等. 基于 PM 谱的随机起伏界面声
反射系数逐渐减小，镜反射方向的反射场较弱，声信 散射特性研究 [C]// 2017 中国西部声学学术交流会论文集,
号传播一定距离后，所携带的能量经多次海面反射 2017.
[10] Pierson W J Jr, Moskowitz L. A proposed spectral form
后就会消耗殆尽；而海面的粗糙度较小时，镜反射
for fully developed wind seas based on the similarity the-
方向上散射场的能量值很大，声信号经远距离传播 ory of S. A. Kitaigorodskii[J]. Journal of Geophysical Re-
后，依旧存在着多次海面反射，信道的多径效应比较 search, 1964, 69(24): 5181–5190.
明显。 [11] Thorsos E I, Jackson D R. The validity of the perturba-
tion approximation for rough surface scattering using a
(2) 由于海面波浪起伏的影响，随机起伏海面
Gaussian roughness spectrum[J]. Journal of the Acousti-
存在散射损失，使得部分声线无法远距离传播，并且 cal Society of America, 1988, 83(S1): 20.
声源越靠近海面，与海面的反射次数越多，受海面起 [12] Ainslie M A. 声呐性能建模原理 [M]. 张静远, 颜冰, 译. 北
京: 国防工业出版社, 2015.
伏的影响越大，能远距离传播的声线数目越少；波浪
[13] Rodriguez O C. General description of the BELLHOP
起伏会导致声波能量的快速衰减，并且风速的大小 ray tracing program[EB/OL]. [2008-06-13]. http://oalib.
对传播损失的峰值范围有着较大的影响，风速越大， hlsresearch. com/Rays/GeneralDescription.pdf.
传播损失的峰值范围越大，并随着传播距离的增加， [14] 王英志, 章新华. 浅海水声信道冲激响应空变特性研究 [J]. 应
用声学, 2009, 28(2): 107–110.
能量衰减越大；同平整海面相比，随机起伏海面下到 Wang Yingzhi, Zhang Xinhua. Research on space-time
达声线幅值变小，并且风速越大，海况越差，到达声 characteristics of shallow seawater acoustic channel im-
线的幅值越小，有效到达路径数目越少，这也是由于 pulse response[J]. J. Appl. Acoust., 2009, 28(2): 107–110.
[15] 张刚强, 童峰. 基于 LMS/SOLMS 算法的时变多径水声信道
随机起伏海面的散射损失造成的。
估计方法 [J]. 应用声学, 2008, 27(3): 212–216.
(3) 由于海面散射，信道呈现明显的稀疏特性， Zhang Gangqiang, Tong Feng. Time-variable multipath
因此增加稀疏性约束条件的 l 0 -LMS 算法和基于压 underwater acoustic channel estimation method based on
缩感知的 MP 算法和 OMP 算法性能远远优于 LS、 LMS/SOLMS algorithm[J]. J. Appl. Acoust., 2008, 27(3):
212–216.
LMS 算法。当风速较小，或者风速较大且信噪比较 [16] Gu Y, Jin J, Mei S. l 0 norm constraint LMS algorithm
低时，l 0 -LMS 算法的性能更好；当风速较大且信噪 for sparse system identification[J]. IEEE Signal Process-
比较高时，MP算法和OMP算法的性能更好。 ing Letters, 2009, 16(9): 774–777.
[17] 尹艳玲, 乔钢, 刘凇佐. 基于虚拟时间反转镜的水声 OFDM
信道均衡 [J]. 通信学报, 2015, 36(1): 2015011.
参 考 文 献 Yin Yanling, Qiao Gang, Liu Songzuo. Underwater acous-
tic OFDM channel equalization based on virtual time re-
[1] 惠俊英, 生雪莉. 水下声信道 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出 versal mirror[J]. Journal on Communications, 2015, 36(1):
版社, 2011. 2015011.
[2] 周士弘, 田玲爱. 粗糙海洋界面散射对低频声传播的影响分 [18] 吴少娟. 基于压缩感知的水声信道估计技术研究 [D]. 广州:
析 [C]. 全国声学学术会议, 2008. 华南理工大学, 2013.