Page 49 - 《应用声学》2020年第6期

第 39 卷 第 6 期 于梦枭等： 浅海单矢量传感器宽带声源三维定位仿真 843

M−1 M
∑ ∑
∗
I c (r, z s ; f) = S(f) 2 A m (f)A (f)u m (z s )u n (z s ) cos [(k rm (f) − k rn (f))r] , (21)

n
m=1 n>m
其中，I c (r, z s ; f)和I i (r, z s ; f)的除法运算可用来消除声源激发频谱S(f)的影响，定义
M−1 M
∑ ∑
∗
2 A m (f)A (f)u m (z s )u n (z s ) cos [(k rm (f) − k rn (f))r]
n
I c (r, z s ; f) m=1 n>m
η(r, z s ; f) = = . (22)
I i (r, z s ; f) ∑
M
2
2
|A m (f)| u (z s )
m
m=1
在声源距离已知的条件下，η(r, z s ; f) 是一个 方位运动，声源运动方向的反向延接线与 x 轴夹
与声源深度、频率以及波导参数有关的复杂函 角为60 。
◦
数，即 η(z s , f)。在海深范围内，利用理论模型计算 3.1 声源方位估计
[
得到的拷贝向量 η C (z) = η C (z, f 1 ) η C (z, f 2 ) · · ·
图1为利用平均声强器法的声源方位估计结果
]
η C (z, f L ) ，L 为频段内采样点数。将实测数据向量
图及相对径向速度变化图，估计结果准确。运动过
]
[
η R (z s ) = η R (z s , f 1 ) η R (z s , f 2 ) · · · η R (z s , f L ) 与
程中可近似认为声源径向速度不变。
拷贝向量进行相关运算，即
90
80
ζ(z) = ⟨η R (z s ), η C (z)⟩
70

L
∑ 60

η C (z, f l )η R (z s , f l )
வͯ/(O) 50
l=1
= v . (23) 40
L L
u
u∑ 2 ∑ 2 30
η (z, f l ) η (z s , f l )
t
R
C
20
l=1 l=1
10
取最大相关系数对应的深度值，即为声源深度的
5 10 15 20 25 30
估计值 ᡰሏ/km
(a) வͯͥᝠፇ౧
ˆ z s = arg max(ζ(z)). (24)
z s
文献[11]已对该方法的有效性及实用性给出推
导与证明，在声场中存在三阶以上简正模时，声源 10.1
深度估计结果唯一，不存在多值。该方法还可结合 य़Քᤴए/(mSs -1 ) 10.0
矢量声场中的质点振速及组合物理量完成测深。同
时，距离估计方法与深度估计方法是独立进行的，深 9.9
度估计是以距离已知为前提，但可以选择其他合适
的频段进行深度估计以保证其估计性能。 9.8 5 10 15 20 25 30
ᡰሏ/km
3 仿真验证分析 (b) य़Քᤴएԫӑڏ
图 1 平均声强器法声源方位估计结果及径向速度
仿真条件：等声速水文，声速 1500 m/s，海深 变化图
为100 m；单层海底，海底纵波声速为 1700 m/s，密 Fig. 1 Result of azimuth estimation by acoustic
度为 1.7 g/cm ，吸收系数为 0.1 dB/λ，接收器深度 intensity average and diagram of radial velocity
3
99 m，声源距离为 5∼30 km，仿真中声源类型为宽 3.2 声源相对速度及距离估计
带脉冲声源，以相对单矢量传感器 10 m/s 的速度 对单矢量传感器相对径向速度估计方法进行

◦
◦
匀速运动。假设声源在单矢量水听器的 58 ∼ 63 ◦ 验证。由于径向速度近似不变，此处按声源沿60 方