Page 53 - 《应用声学》2020年第6期
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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                                          847


                 图 8 中蓝色星点代表每一个深度的估计深度                             在一般的水平不变浅海波导条件下对三维定
             值。图 8(a) 中，仅利用第 1 和第 2 阶简正模时，在深                   位方法进行仿真验证。结果表明利用不同阶的简
             度 57 m 处分成两个深度区间，在各区间内存在多                         正模皆可准确估计声源相对速度，平均相对误差
             值性；图 8(b)、8(c) 中，当声场中起主要贡献的简正                     为 0.9 %，当信噪比大于 0 dB 时，相对误差小于
             模阶数增多且大于等于三阶时，声源深度估计的多                            10.61%。已知声源相对径向速度后完成无源准确估
             值性消除，且声源深度估计的敏感度增强。近水面                            计声源距离，当信噪比大于10 dB 时，距离估计相对
             声源深度估计的敏感度较弱，这是由于该深度范围                            误差小于 11.33%。当声场中存在三阶以上简正模
             (20 m 以内) 简正模相干项与非相干项随深度变化                        时，利用声压、质点振速及组合物理量皆可较为准
             缓慢。当声场中简正模阶数为三阶及以上时，方法                            确地估计声源深度，当简正模阶数较少时，近水面附
             可行，近水面声源深度敏感性问题可通过增加处理                            近声源的深度估计结果敏感性较差，但敏感性随简
             的简正模阶数改进。                                         正模阶数增加而获得改善。通过时间累积预处理可
                 而在矢量声场中，则有更多的物理量可以选择，                         降低对信噪比的要求，是后续工作中需重点研究的
             使用质点振速的自相关函数以及声压 -质点振速的                           内容。
             互相关函数进行类似处理同样可以估计声源深度。
             图9为使用矢量声场中其他物理量或组合物理量的
                                                                              参 考      文   献
             测深结果(全阶)。

                                                                 [1] Bucker H P. Use of calculated sound fields and matched-
             4 结论                                                  field detection to locate sound in shallow water[J]. The
                                                                   Journal of the Acoustical Society of America, 1976, 59(2):
                 利用单矢量传感器作为接收器，除可以接收到                              368–373.
                                                                 [2] Preisig J C. A minmax approach to adaptive matched field
             声压信息外，还可同步接收到声场中的质点振速等                                processing in an uncertain propagation environment[J].
             矢量信息，相比于接收阵列，单矢量传感器在布放环                               IEEE Transactions on Signal Processing, 1994, 42(6):
             节更具有优势，且通过声压与质点振速的组合处理                                1305–1316.
                                                                 [3] 生雪莉, 罗方方, 郭咏, 等. 垂直阵时反聚焦的目标被动定位
             可获得接收指向性，从而抑制干扰，同时提高信噪                                方法研究 [J]. 兵工学报, 2011, 32(3): 359–364.
             比，具有较好的实用意义。                                          Sheng Xueli, Luo Fangfang, Guo Yong, et al. Target pas-
                 利用水平方向两个正交分量的振速间关系可                               sive location by time-reversal mirror based of vertical ar-
                                                                   ray[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(3): 359–364.
             以对声源方位进行估计，从而仅依靠单矢量传感器                              [4] Yang T C. A method of range and depth estimation by
             即可完成对声源的三维定位。声场中仅存单一声源                                modal decomposition[J]. The Journal of the Acoustical
                                                                   Society of America, 1987, 82(5): 1736–1745.
             时，利用平均声强器方法估计声源方位，多声源时可
                                                                 [5] Shang E C. Source depth estimation in waveguides[J]. The
             考虑加权直方图等其他方法。水平不变的波导中，                                Journal of the Acoustical Society of America, 1985, 77(4):
             在自相关函数相干项特征频率不变性的匹配测距                                 1413–1418.
                                                                 [6] 李鹏, 章新华, 付留芳, 等. 一种基于模态域波束形成的水平
             方法基础上，结合矢量声场理论及单矢量传感器声
                                                                   阵被动目标深度估计 [J]. 物理学报, 2017, 66(8): 084301.
             源相对速度测量方法，得到一种利用垂直复声强实                                Li Peng, Zhang Xinhua, Fu Liufang, et al. A modal do-
             部信息的无源测距方法。相比于之前测距方法，该                                main beamforming approach for depth for depth estima-
                                                                   tion by a horizontal array[J]. Acta Physica Sinica, 2017,
             方法无需预知声源深度信息也不再需要拷贝声场，
                                                                   66(8): 084301.
             减少了数据计算量，同时避免了原方法中需去除非                              [7] 郭晓乐, 杨坤德, 马远良, 等. 一种基于简正波模态消频散
             相干项而可能带来的人为误差。完成距离估计后，                                变换的声源距离深度估计方法 [J]. 物理学报, 2016, 65(21):
                                                                   214302.
             利用自相关函数中非相干项与相干项的频域模基，
                                                                   Guo Xiaole, Yang Kunde, Ma Yuanliang, et al. A source
             对声源深度进行匹配估计。在声场存在三阶以上简                                range and depth estimation method based on dedispersion
             正模时，深度估计结果具有唯一性。测深方法还可                                transform[J]. Acta Physica Sinica, 2016, 65(21): 214302.
                                                                 [8] 戚聿波, 周士弘, 任云, 等. 浅海中利用单水听器的声源被动
             以利用声压与质点振速的组合量进行处理，获得同
                                                                   测距 [J]. 声学学报, 2015, 40(2): 144–152.
             样的测量性能。                                               Qi Yubo, Zhou Shihong, Ren Yun, et al. Passive source
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