Page 29 - 《应用声学》2021年第6期

第 40 卷 第 6 期 梁玉权等： 浅海低频长线阵声源方位估计 825

图 4(b) 所示，其中点虚线和点划线分别表示声源 没有变小；随着声源方位角从阵列端射方向过渡到
1 和声源 2 的真实时间 -方位历程图。图 4 的结果表 30 方向，CBF 估计的声源方位偏差逐渐减小。通
◦
明，CBF 在对浅海低频声源方位估计时会产生波束 过所提 BOMP 方法与 CBF 估计结果对比发现，在
偏移和分裂现象，特别是在靠近端射方向上，而基于 SNR 大于 −10 dB 且声源靠近阵列端射的情况下，
块稀疏模型的BOMP算法可准确估计声源方位。 BOMP 估计的方位角与真实方位角存在较小的偏
差，且随着 SNR 的增大，标准差减小，在高信噪比
2.2 信噪比的影响
的情况下，所提BOMP方法可以实现声源方位的准
为考察信噪比 (Signal to noise ratio, SNR) 对 确估计。在SNR小于−10 dB时，随着SNR的降低，
所提 BOMP 浅海声源方位估计方法的影响，仿真 CBF 和 BOMP 估计的声源方位逐渐趋于 0 ∼ 90 ◦
◦
只考虑一个声源的情况，声源与参考阵元的水平 均匀分布，均值收敛于 45 方向，估计的声源方位
◦
距离为 10 km，声源深度 5.7 m，HLA 参数与 2.1 小 没有参考意义。由于阵元数为 201，即阵增益为
节相同，仿真声源方位分别为 0 、10 、20 和 30 的 10 lg 201 ≈ 23 (dB)，−10 dB 的阵元域信噪比对应
◦
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◦
阵列信号，加不同的阵元 SNR 的复高斯白噪声，并 阵列波束输出信噪比约为13 dB。实际应用时，当阵
进行 1000 次蒙特卡洛仿真实验，角度搜索方位为 元数 L 已知，通过不等式SNR > 13 dB − 10 lg L 可
0 ∼ 90 ，统计 CBF 和所提 BOMP 估计的声源方 以判断声呐探测的海洋环境中阵元域信噪比是否
◦
◦
位的均值和标准差，对应误差棒曲线如图 5(a) ∼ 符合本文方法的要求；当阵元域信噪比 SNR(即输
图 5(d) 所示。可以看出，在声源方向靠近阵列端射 入信噪比)已知，通过不等式10 lg L > 13 dB − SNR
方向时，CBF 估计的方位角与真实的方位角存在 以检验声呐的线列阵阵元数 L 是否满足使用本文
较大的偏差，随着 SNR 变大，标准差变小，偏差并 方法的要求。

80 80
CBF CBF
60 BOMP 60 BOMP
வͯᝈ/(O) 40 வͯᝈ/(O) 40
ᄾࠄவͯᝈ
ᄾࠄவͯᝈ
20 20
0 0
-20 -10 0 10 20 -20 -10 0 10 20
SNR/dB SNR/dB
(a) 0° (b) 10°

80 80
CBF 60 CBF
BOMP
BOMP
வͯᝈ/(O) 60 ᄾࠄவͯᝈ வͯᝈ/(O) 40 ᄾࠄவͯᝈ
40
20
20
0 0
-20 -10 0 10 20 -20 -10 0 10 20
SNR/dB SNR/dB
(c) 20° (d) 30°
图 5 蒙特卡洛仿真实验 1000 次，统计 CBF 和 BOMP 估计的声源方位均值和标准差
Fig. 5 The mean and the standard deviation of the estimated source azimuth by CBF and BOMP,
with 1000 times of Monte Carlo simulation experiment for each SNR

航速约为 4 kn，气枪间隔为 1 min 发射一次脉冲信
3 实验数据处理
号，接收阵列为海底 32元准南北放置的 HLA，有效
实验数据源自 2011年北黄海冬季声学实验，实 阵元数为28，阵列水平孔径约 250 m，通过8 组邻近
验船拖曳着深度5.7 m气枪声源在准南北方向航行， 的气枪声信号进行孔径扩展处理 [13−14] ，得到水平