Page 6 - 《应用声学》2020年第5期

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度估计的算法，对声源可能的运动路径预先进行了
0 引言
选择，从而避免了对初始状态的定义，减少了需要
深海水下运动目标被动定位一直是水声研究 的先验信息。对于每条运动路径，都可以看作是卡
尔曼滤波的算法的观测输入，进而得到对运动的预
的重点内容之一。匹配场算法已在声源定位领域中
获得了广泛应用，其基本原理是已知声速和海底深 测。通过比较预测位置的时延和理论计算出的时延，
度等参数，对声场进行建模，通过比较测量场和拷 可以选择出最优的路径组，从而完成对目标深度的
贝场来对声源进行定位 [1] 。匹配场算法的分辨率受 估计。
海洋水文、海底底质等环境参数影响 [2] 。当海洋的
1 路径预选择与估计
声速剖面未知时且信号记录时间足够长的情况下，
McCargar 等 [3] 、Kniffin 等 [4] 基于深度的信号分离 根据射线模型，由声源位置到达接收位置的声
技术，可以利用直达波和海面反射波的信号相关结 线将经历水体折射和边界反射。图1 为从声源发出，
构来对声源定位；该方法使用了改进的傅里叶变换 到达间距为 ∆d 的两个接收点的直达声线与海面反
来还原目标的位置。Lei 等 [5] 利用布放在深海的两 射声线的传播示意图。其中，S 为声源点，S 为声源
′
个水听器之间的互相关函数，对所有可能的位置进 关于海面的镜像点；R 1 、R 2 为接收点。利用声线跟
行扫描，使互相关函数值达到最大的位置即被视为 踪技术可以确定到达目标参考点的一系列特征声
是声源位置。匹配场技术和相关结构定位技术均需 线。柱面坐标(r, z)系下的高斯射线方程 [14] 表示为
要两个或多个水听器同时进行工作，且需对空间进 ( )
d 1 dy 1
行扫描，往往有很大的计算量。 = − 2 ∇c (r, z) , (1)
ds c (r, z) dx c (r, z)
海洋声道的多径特性同样可以被用于定位声
其中，r = r(s) 及 z = z(s) 是射线的柱坐标，它们是
源。孙梅等 [6] 研究了在射线模型下，水平振速与垂
弧长s的函数；c (r, z)为声速。设声线的曲率为p(s)，
直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角
宽度为q(s)，单条高斯射线可以被表示为
以及收发水平距离之间的关系，分析了深海直达
波区域声传播特性。王梦圆等 [7] 在此基础上，提出 u(s, n) =
√
利用脉冲声信号的直达波和海面反射波的到达时 c(s) { [ p(s) ]}
A exp −iω τ(s) + n 2 , (2)
延，研究了估计水下声源距离的方法。Gong 等 [8] rq (s) 2q(s)
分析了使用拖曳水平阵进行被动目标定位的方法，
其中，A 为常数，n 为与中心射线的垂直距离，ω 为
并验证了卡尔曼滤波器方法对于运动声源的良好
声源信号的角频率。τ(s) 为传播时间即相位延迟，
效果。Baggeroer等 [9] 与 Duan等 [10] 研究了在深海
满足：
可靠声路径中，位于临界深度以下的水听器可以
dτ 1
在高信噪比的条件下接收到信号直达波和海面反 ds = c(s) . (3)
射波，从而可以准确获得声传播的多径时延。Yang
据此，可以从理论上得到射线的传播时间，从而计算
等 [11−13] 研究了在可靠声路径下，使用布设于深海
出直达波和海面反射波之间到达时间的时延。
的水听器或水听器阵列，利用直达波和海面反射波
的到达时延和信噪比等信息对声源进行定位。在使 Sϕ
๒᭧
用宽带信号时，仅仅使用单水听器就能通过自相关
S
函数获得信号传播的时延信息；利用扩展卡尔曼算
法，使用时延信息进行位置估计可以大大减少计算
量 [13] 。然而在该方法中，定位算法需要先定义声源 R 
Dd
的初始状态，再进一步对声源进行定位算法的迭代。
R 
对声源的初始状态的定义不同将导致最后算法的 ๒अ
定位效果的不同。 图 1 声源 -接收器声线示意图
本文在多径时延算法 [13] 的基础上，提出了一 Fig. 1 Schematic diagram of source-receiver
种利用直达 -海面反射波时延来对运动目标进行深 acoustic rays