Page 6 - 《应用声学》2023年第2期
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直线运动。
0 引言
为了解决主动声呐在浅海工作时的界面干扰
问题，Reeder [14] 使用仿真模型验证了在近距离使
水面/水下目标的辨识问题是水声学领域具有
用波数域声场结构进行目标深度辨识的可能性。
实际应用价值的研究方向之一。在浅海环境下工作
在主动声呐匹配场目标定位的研究中，Goldhahn
的主动声呐系统，在提高对目标检测能力的同时，也
等 [15] 基于波导不变量理论对主动声呐单次回波进
面临着水声环境复杂、杂波干扰和大量干扰目标等
问题。而对目标深度的辨识可以降低目标类型和环 行频域采样，构造协方差矩阵进行最小方差滤波，
Worthmann 等 [16] 构造垂直阵频率差主动匹配场，
境复杂性等因素的影响，快速筛选感兴趣目标，并为
后续更进一步的目标识别方法提供重要依据。 使用差频数据构造协方差矩阵，牺牲一定估计精度
目标深度的辨识问题可以通过深度估计方法 提高了算法对环境失配和混响的宽容性。但这些研
估计出目标深度后进行判决。匹配场处理算法是目 究方法都要求发射大带宽信号，保证从单次回波中
标深度估计的经典方法之一，通过考虑水声环境中 构造多快拍数据估计协方差矩阵，计算量较大并且
的声传播特性，利用仿真模型计算拷贝声场，并与实 同样受到环境参数失配的影响。
际声场匹配后得到最优空间位置的估计 [1−3] 。垂直 基于声线理论得到的声信号时域特征，对环境
阵条件下声源深度的最大似然估计的准确性受到 参数的失配不敏感，适用于窄带或宽带信号，研究者
可分辨简正波模态数量的限制 [4] ，在阵元数目大于 们基于声线结构特征也提出了一系列算法。根据主
需要分辨的模态数目时，可以使用匹配模态的方法 动声呐原理估计目标距离后，Hjelmervik [17] 对垂直
进行目标定位 [5−6] 。但是计算量大、受环境参数失 阵接收的多条特征声线在一定俯仰角范围内进行
配影响大等问题都限制了匹配场和匹配模方法在 反向追踪，统计各深度分层中到达的声线数构成深
实际中的应用 [7] 。 度估计。基于模型匹配的设计思想，Mours等 [18] 通
将目标深度辨识问题作为二元分类问题时，可 过到达垂直阵的特征声线时延和俯仰角构造失配
以减少环境参数失配的影响。基于不同深度声源 函数进行目标深度估计，利用缩比模型验证其可行
激发低阶模态函数能力差异这一物理机理，Premus 性，Hickman 等 [19−20] 在多个频率子带内将峰值时
等 [8] 将受声源深度影响明显的低阶简正波模态划 延与模型进行匹配，需要通过多次连续测量结果的
分为 “陷波模态”，并提出了模态子空间滤波算法， 累积提高深度估计精度。
基于垂直阵实现了声源深度辨识。但是由于垂直阵 现有的声呐目标深度辨识的算法中，基于垂直
存在阵型偏差和固定布放等问题，基于垂直阵的深 阵的辨识算法在实用性上有所限制，而基于水平阵
度辨识方法在实际应用中受到限制。水平线阵由 的方法则需要大孔径和端射方向解决目标模态分
于缺少垂直孔径，在模态分辨能力上有所欠缺，不 辨能力不足的问题。针对以上问题，本文提出了一
能够提取足够的目标深度信息，但 Bogart 等 [9] 证 种基于阵不变量的主动声呐目标深度辨识方法，并
明了大孔径水平阵同样存在 “有效垂直孔径”，可 根据声线理论从对环境参数更加宽容的时域特征
以进行模态分辨，并且水平阵的有效垂直孔径受目 中构建目标深度匹配算法。其中，阵不变量理论描
标方位的影响明显。Premus等 [10] 将基于垂直阵模 述了声场的传播特性，在被动源定位问题中已经得
态幅值估计的目标深度辨识算法推广到水平阵中， 到了广泛应用 [21−23] 。
Conan 等 [11] 总结了使用不同模态滤波算子时的水 本文首先基于阵不变量方法提取回波到达接
平阵模态幅值估计方法的性能，但都需要大孔径水 收阵的时域结构，通过阵处理提高低信噪比下的回
平阵列进行模态分辨，且要求目标不能明显偏移阵 波结构提取能力，然后根据部分环境参数建立拷贝
列端射方向。通过引入合成孔径思想，被动声呐信 声场得到拷贝声场时域脉冲响应，最后通过互相关
号处理中运动的水平接收线阵可以得到虚拟大孔 匹配完成深度辨识，根据实验数据处理结果，该方法
径，提高对简正波模态的分辨能力 [12−13] ，但是同样 在浅海水平阵条件下，实现深度辨识正确率为92%，
要求目标位于端射方向，并且要求接收阵保持匀速 具有一定的研究与实用价值。
