Page 23 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 刘与涵等： 深海声影区时频谱干涉结构与声源定位 19

下面通过蒙特卡洛仿真实验，进一步分析接 频带重叠率对应的 3条曲线在−14 dB处趋于接近。
收 SNR 和频带重叠率对测距性能的影响。仿真环 其次，对于相同的频带重叠率，测距结果的 RMSE
境、收发深度、径向速度、时频谱窗的带宽和频带 与 SNR 呈负相关，且 RMSE 均小于 0.3 km，单次测
重叠率均与以上实验保持一致，声源从水平距离 量结果即可有效实现测距。对于 −16 ∼ −10 dB 的
9.1 km 处远离至 10.9 km 处 (水平距离近似固定为 接收SNR范围，图8(a)扩展为图8(b)。当SNR小于
r 0 = 10 km、时长为 3 min)，进行 100 次蒙特卡洛 −14 dB 时，随着 SNR 继续降低，不同频带重叠率
仿真，然后统计测距结果的均方根误差(Root mean 对应的测距结果 RMSE 同步显著增大，k (sum) 的单
f
squared error, RMSE)。RMSE定义为 次估计结果不再能稳健地实现声源测距。但本节
(sum)
在 −15 dB 仿真条件下，仍可通过 k
v 的时间历
u 100 f
u 1 ∑ 2
RMSE = t (ˆr i − r 0 ) , (15) 程 (图 6(b) 所示) 或测距结果的点迹 (图 7(b) 所示)
100
i=1 观察出声源距离的变化轨迹。上述结果表明，增
其中，ˆr i 表示第i次蒙特卡洛仿真的距离估计值。 大频带重叠率能带来一定的处理增益，但对测距
对于 −14 ∼ −10 dB 的接收 SNR 范围，不同频 精度的影响比较有限，影响测距精度的主要因素
带重叠率条件下 RMSE 随接收 SNR 变化的关系曲 是SNR。
线如图 8(a) 所示。首先，在相同的接收 SNR 条件 以上分析中，重叠频带内的背景噪声不具有独
下，频带重叠率越高，测距结果的 RMSE越低，不同 立性。如果通过其他方法增加独立观测次数或增大
等效带宽，则有机会进一步提高检测增益。此外，以

0.30 50% 上结论要求处理频带内的背景噪声满足高斯白噪
75%
95% 声特性。对于实际的海试接收信号时频谱，背景噪
0.28
声具有一定的空间分布特性，使得检测增益和测距
RMSE/km 0.26 性能通常低于仿真结果。

0.24
4 海试数据处理与分析
0.22
2022 年 4 月，在菲律宾海开展了一次深海声学
-14 -13 -12 -11 -10
SNR/dB 实验。实验站点的海深约4800 m，根据World Ocean
(a) SNRᔵڊ὘-14 ~ -10 dB Atlas(WOA) 数据库的历史温度 [20] 、盐度 [21] 数据

5 计算得到的海水声速剖面如图9所示。
4 50%
3 75% 0
95%
2
RMSE/km 0.8 1 1000

2000
0.6
ງए/m
0.4
3000
-16 -15 -14 -13 -12 -11 -10
4000
SNR/dB
(b) SNRᔵڊ὘-16 ~ -10 dB
4800
1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540
图 8 不同频带重叠率条件下 RMSE 随接收 SNR
ܦᤴ/(mSs -1 )
变化的关系曲线
Fig. 8 The relationship between the RMSE and 图 9 实验期间的海水声速剖面
the received SNR at difference overlapping ratios Fig. 9 The sound speed profile during the exper-
of the frequency band iment