Page 30 - 《应用声学》2021年第6期

826 2021 年 11 月

跨度为1 km、均匀阵元间隔5 m的201元HLA接收 1.0 CBF
的声场信号。 ॆʷӑฉ஝ࣨए 0.5 BOMP
对频率间隔1/3 Hz的50 ∼ 200 Hz宽带声场信
号 (离散的频点数为 451)，进行逐频点声场的 CBF 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40
和 BOMP 方位估计，其中，角度离散网格间隔取 வͯᝈ/(O)
0.5 ，观察角度范围取 0 ∼ 40 ，最大值归一化后 图 7 实验气枪 50 ∼ 200 Hz 宽度信号声源方位估计
◦
◦
◦
波束输出结果如图 6 所示。图 6(a) 为 CBF 估计的 Fig. 7 The experimental air-gun 50 ∼ 200 Hz broad-
方位谱结果，可观察到明显的波束偏移和分裂现 band source azimuth spectra estimation
象，每个波束峰值点并不表示真实的声源方位，由
于真实的声源方位接近 HLA 端射方向，即方位角 表 2 统计 451 个频点 BOMP 估计的方位离散分布
约为 0 ，分裂的波束峰对应的角度与简正模俯仰 Table 2 Discrete distribution of source az-
◦
角近似互为余角关系。基于图 2 所示的波导模型， imuth by BOMP with 451 frequency points
使用 BOMP 进行逐频点的声源方位估计，结果如
估计方位角/( )
◦
图 6(b)所示，可以看出，在大部分频点上，BOMP估
0 0.5 1 1.5 其他
计的波束输出在靠近端射方向有较强的能量。表 2
频点数 406 5 5 2 33
给出了对应 451 个频点估计方位角的离散统计分
布。估计声源方位为 0 的占比大于 90%，在某些频
◦
点上出现较大的方位估计偏差，其原因包括某些 4 结论与讨论
频点上信噪比不足、存在干扰源影响和模型失配。
本文基于浅海水平分层波导的声传播简正波
图 7 给出了 50 ∼ 200 Hz 宽带内波束能量求和，最
大值归一化输出的结果，其中CBF波束输出旁瓣较 理论，建立了块稀疏信号模型，提出一种块正交匹配
追踪 (BOMP) 的浅海水平阵低频声源方位估计方
宽，在 17.5 方向上能量最大，该方向与端射方向
◦
法。仿真结果表明，所提方法在阵列波束输出信噪
存在较大的偏差；BOMP波束输出在0 方向能量最
◦
大，其他方位的能量只有很小的波动，与表 2 统计 比大于 13 dB 和无失配环境情况下，能规避常规波
451 个频点的方位估计为 0 的占比大于 90% 结果 束形成 (CBF) 方法在估计近阵列端射方向的浅海
◦
相符，估计方位与实际声源方位一致，实验数据验证 低频声源方位时所产生的波束偏移和分裂现象，从
了所提 BOMP 方法能准确估计浅海低频宽带声源 而克服较大方位估计偏差的问题。对 2011 年北黄
的方位。 海声学实验水平长线阵接收低频声信号，进行逐频
点方位估计以及能量求和波束输出。CBF估计的方
40 1.0 位谱中可以观察到明显的波束偏移和分裂现象，宽
வͯᝈ/(O) 30 0.6 带能量求和波束输出旁瓣较宽，且波束峰值方位与
0.8
20
0.4
10
0 0.2 真实声源方位存在较大的偏差。本文所提方法估计
0
50 80 110 140 170 200 的声源方位除部分频点估计结果与端射方向偏离
ᮠဋ/Hz
较大外，大部分频点上方位估计的结果均靠近端射
(a) CBF
40 1.0 方向；BOMP 波束宽带能量输出，具有超低旁瓣的
வͯᝈ/(O) 30 0.6 特点，且在 0 方向取得能量值最大，与真实声源方
0.8
◦
20
位一致。仿真和实验数据验证了所提方法的有效性
0.4
10
0 0.2 和较CBF的优越性。
0
50 80 110 140 170 200 本文所提 BOMP 算法需要已知波导环境参数，
ᮠဋ/Hz
(b) BOMP 用于计算模态方位导向矢量矩阵字典，当环境参数
存在失配，特别是在较高频段，声源方位的估计偏差
图 6 实验气枪声源方位谱估计
会变大，在实际应用中需要选择合适的等效波导环
Fig. 6 The experimental air-gun source azimuth
spectra estimation by CBF and BOMP, respec- 境参数。另外，本文所提方法针对大孔径基阵近端
tively 射声源方位估计中存在的波束分裂和方位偏差问