Page 29 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 张雪冬等： 斜坡海底波导中随机声源的信道盲解卷积 671

RBD 方法的有效性进行了讨论；最后对本文进行了
0 引言 总结。

水 下 声 源 和 接 收 阵 之 间 的 信 道 脉 冲 响 应 1 RBD方法 [2]
(Channel impulse response, CIR，也称为格林函
数) 在海洋声学研究中有重要的作用 [1] 。信道响应 利用基于射线的盲解卷积方法估计CIR。假设
未知源发出的角频率为ω 的信号可表示为
的估计有基于主动信号和被动信号两种方法。基
于主动信号的方法用已知的声源发射的信号对接 S(ω) = |S(ω)|e iΦ s (ω) , (1)
收信号数据进行解卷积来估计信道响应，这种方 其中，Φ s (ω) 为声源相位谱。那么第 j 个接收水听器
法得到的信道响应比较精确，缺点是需要预先知 的接收信号频谱为
道声源的频谱信息。基于被动信号的方法利用随
P(z j , z s , ω) = G(z j , z s , ω)S(ω), (2)
机声源 (例如船舶噪声) 来对信道响应进行估计，由
于无法预知声源频谱，仅从阵列接收到的信号中 其中，G 是频域信道响应函数，z s 是声源深度，z j 是
对信道响应和声源频谱进行估计，会遇到难解的 由 N 个阵元组成的接收阵中第 j (j = 1, 2, · · · , N)

盲解卷积问题。然而，如果已知关于信道响应结构 个水听器的深度。当海洋信道多途效应使声场呈现
的部分先验信息 (例如，由于海洋信道多途效应使 射线到达结构时，该信道响应可以表示为多条射线
路径的叠加 [10] ，
声场呈现射线到达结构)，则盲解卷积问题变得可
∑
解 [2] 。最近的研究已经证明了基于射线的盲解卷积 G(z j ) = α k e iωT (θ k )+τ j,k , (3)
方法 (Ray-based blind deconvolution, RBD) 估计 k
其中，α k 表示第 k 条射线路径的幅度；T(θ k ) 为从声
信道响应的可靠性。当声源为可控通信声源或船舶
源到接收阵的第 k 条射线路径的传播时间，θ k 为第
噪声时，RBD 方法可以只利用接收阵阵型信息和阵
k 条射线的到达角；τ j,k 表示第 k 条射线路径到达第
列位置处的声速剖面(Sound speed profile, SSP)信
j 个阵元与到达参考阵元的时间差。因此，与特定
息来估计信道响应。
到达角 θ k 相关联的特定入射波可以在接收端通过
已有的研究已验证了 RBD 方法在水平面海底
宽带波束形成(例如常规波束形成 [11] ) 被分离出来。
的海洋波导环境中估计到的信道响应 (以下简称
假设该阵列具有足够的空间分辨率，使得其他射线
为 RBD-CIR) 的准确性。例如，在相位方面，利用
路径上的能量旁瓣最小，则有
RBD-CIR 的到达时间信息，可进行声源定位 [3−5] 、
N
接收阵阵型检测 [6−7] 以及被动声层析 [6] 等。在幅 B(ω; θ k ) = ∑ P(z j , z s , ω)e −iωτ j,k
度方面，张雪冬等 [8−9] 通过 RBD-CIR 的直达波与 j=1
海底反射波幅度之比并对偶极子效应修正得到了 ≈ |B(ω; θ k )|e −iωT (θ k )+iΦ s (ω) , (4)

海底反射损失，反演了海底参数，验证了 RBD-CIR
其中，B(ω; θ k ) 为接收信号在第 k 条射线到达角 θ k
幅度信息的准确性。以上研究均基于海洋波导为 方向上的波束形成结果。令
水平面海底的情况，本文对于斜坡海底 (海深随距
ψ(ω; θ k )=arg(B(ω; θ k ))=−ωT(θ k )+Φ s (ω), (5)
离变化) 环境下，RBD 方法估计得到的信道响应
的准确性和有效性进行验证和讨论。主要内容分 利用公式(5)，可得归一化信道响应
为以下几个部分：首先介绍了基于射线的盲解卷 G e (z j , z s , ω; θ k )
积方法的基本原理；然后利用仿真数据，验证了 P(z j , z s , ω) −iψ(ω;θ k )
= √ e
水平面海底时 RBD 方法的有效性；接着仿真比较 N
∑
2
|P(z j , z s , ω)|
了海底坡度不同时 RBD 方法所得信道响应，并对 j=1
海底坡度和信噪比 (Signal-to-noise ratio, SNR) 对 G(z j , z s , ω) −iωT (θ k )
= √ e . (6)
RBD-CIR的影响进行了讨论；另外还对具有一定粗 ∑
N
|G(z j , z s , ω)| 2
糙度的海底斜坡波导中或存在海底山丘的波导中， j=1