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第 37 卷 第 5 期                 李小雷等： 利用环境噪声进行安静目标探测                                           637


                                                               推导。后来Wapenaar等        [11]  推导出了利用环境噪声
             1 引言                                              互相关提取格林函数的一个更加通用的理论，该理
                                                               论适用于流动介质及包含衰减的介质中的声波，以
                 环境噪声无处不在，如果能够将环境噪声加以
                                                               及各向异性的弹性体中的弹性波等。根据互易定理
             合理的利用，将会带来诸多益处。以安静目标(不自
                                                               推导利用环境噪声互相关提取格林函数时往往假
             动发声的目标) 探测为例，如果能够利用环境噪声
                                                               设噪声源分布在一个曲面上，因此它不能直接处理
             实现安静目标探测，不但可以节省探测设备的能源
                                                               体噪声源的问题。针对体噪声源的情况，Lin 等                    [12]
             消耗，而且大大地提高了探测设备的隐蔽性。早在
                                                               提出了时空互易定理，利用时空互易定理可以直接
             20世纪80年代，Flatté等      [1]  就探讨了利用海洋环境
                                                               给出在体噪声源的情况下利用环境噪声互相关提
             噪声探测潜艇的可能性, 他们指出，由于海洋环境
                                                               取格林函数的理论。注意到安静目标的信息是包含
             噪声的噪声源主要分布在海洋的表层水体，若将水
                                                               在格林函数中的，因此利用环境噪声互相关提取格
             听器布放在表层水体之下的某一平面上，当潜艇经
                                                               林函数为安静目标探测提供了一个新的思路。2009
             过噪声源与接收器之间的平面时，潜艇将散射噪声
                                                               年，Garnier 等  [13]  在仿真中利用环境噪声互相关提
             源激发的声波，而在水听器的位置形成影区，因此
                                                               取格林函数的方法定位了一个 50 m 远的点散射体。
             当水听器测得的噪声级突然减小，就说明有潜艇经
                                                               随后，Lani 等    [14]  利用热噪声及水中的超声传感器
             过。然而 Flatté等的方案的一个主要缺陷是其只能                        阵列定位油层中在传感器阵列上方 1.3 mm 的散射
             探测水听器上方的大目标，这极大地限制了该方案
                                                               体。2016年，李国富等        [15]  分别利用交通噪声及海浪
             在实际中的应用。1992 年，Buckingham 等            [2]  提出
                                                               噪声成功定位了距离接收器 10 m 之外的实心石柱
             了 “声日光 (Acoustic daylight)” 的概念，并设计了              及空心方形桶。为了能够精确提取格林函数，一般
             一个成像系统实现利用环境噪声对目标进行成像。                            要求噪声源均匀分布，然而现实中噪声源满足均匀
             Buckingham 等所设计的成像系统的主要思想是在                       分布的情况很少见。当噪声源不满足均匀分布时，
             噪声环境中，安静目标会散射噪声，可以将安静目                            利用环境噪声互相关仅能提取到格林函数的时间
             标看作是二次声源，这样安静目标探测问题可以                             到达结构，此外在其时域波形的某些时刻还会出现
             转化成声源探测问题，如果探测设备具有良好的指                            虚假峰    [9] 。然而从探测的角度来讲噪声源分布不均
             向性，即使在很多声源的情况下也可以准确地探测                            匀所导致的结果并不会影响安静目标探测，甚至有
             到各个声源的位置，这样自然可以实现安静目标探                            助于安静目标探测，例如利用上文提到的虚假峰的
             测。在实际应用中，Buckingham等所设计的成像系                       信息，利用两个接收器就可以通过环境噪声互相关
             统适用于高频噪声场(噪声的主要能量在10 kHz 以                        探测安静目标       [16−17] 。相比于 Buckingham 等所设
             上  [3] )。然而一般而言，环境噪声的高频部分的能量                      计的成像系统，利用环境噪声互相关方法通过较少
             很小，所以噪声成像系统在实际应用中也受到了较                            的接收器就可以实现安静目标探测，此外该方法是
             大限制。                                              利用提取到的时间到达结构进行安静目标探测，因
                 自 2001 年 Lobkis 等  [4]  利用两个接收器记录的            此不同于 Buckingham 等所设计的成像系统，只要
             扩散噪声进行互相关操作，成功提取到了两个接收                            环境噪声的频带宽度合适，噪声互相关方法便可以
             器之间的格林函数，利用环境噪声互相关提取格林                            进行目标探测。一般实际的环境噪声均有比较宽的
             函数便成为了一个研究热点。早期的利用环境噪声                            频带，因此该方法拥有更广泛的应用场景。通过环
             互相关提取格林函数的理论是基于声场模态均分                             境噪声互相关探测目标在实际应用中也存在着一
             的思想推导出的        [5−6] ，然而基于模态均分的理论一                些问题，首先，在互相关处理时需要一定的累积时
             般仅适用于封闭系统，对于开放系统而言并不适用。                           间才能提取出需要的时间到达结构，一般而言该问
             对于开放系统，Derode等        [7]  利用时反对称性给出了             题可以通过调整接收器的指向性                 [18] 、阵列处理技
             一个利用环境噪声互相关提取格林函数的理论解                             术 [19] 、白化处理   [20] 、滤波处理   [21]  等手段在一定程
             释；Snieder 等  [8−9]  利用稳相近似的方法给出了利                 度上得到解决；其次，互相关操作过程要求接收器
             用环境噪声互相关提取格林函数的一个直观的物                             之间同步工作并能够进行噪声数据传输，然而在水
             理图像；Wapenaar 等     [10]  利用互易定理，给出了开              下等特殊环境中，多个接收器之间的同步仍然较困
             放系统利用环境噪声互相关提取格林函数的理论                             难，同时噪声的数据量很大，不便于实时传输。针对
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