Page 17 - 《应用声学》2024年第1期
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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                                            13


                                                                   此外，声影区的声场强度在距离 -频率维通常
             0 引言                                              会形成比较稳健的干涉结构。Li 等                [12]  指出，声影

                                                               区中的波导不变量 (β) 值接近 1，声场的干涉条纹
                 深海声源定位是海洋声学的重要问题之一。对
                                                               斜率与浅海比较相近。翁晋宝等                [13]  研究了声影区
             于近水面深度(1000 m 以浅)的声源和接收点，由于
                                                               中的距离 - 频率干涉结构，发现存在两种干涉条纹，
             水体声速剖面的折射效应，在几千米至几十千米的
                                                               第一种条纹的频率周期与水平距离和声源深度有
             水平距离范围内通常会形成海底反射区。该区域内
                                                               关，第二种条纹的频率周期与水平距离和接收深度
             只有经海底反射的声线到达，由于缺少直达声线和
                                                               有关。吴俊楠等        [14]  进一步指出，水面船辐射噪声
             水体反转声线，声传播损失较大，也称为声影区。声
                                                               形成的第一种条纹在较窄的频带内可忽略，通过水
             影区的水平覆盖范围较大，是中近程水声探测的主
                                                               平阵波束输出信号的自相关函数，可有效提取第二
             要区域。
                                                               种条纹的频率周期，估计水面声源的距离。翁晋宝
                 匹配场处理方法较早被应用于深海声源定位。
                                                               等 [15−16]  也利用单水听器接收的时频谱干涉结构，
             Fizell 等 [1]  利用垂直阵定位了深海中的低频声源。                   验证了上述定位方法的有效性。
             周士弘等     [2]  将广义相积分简正波方法用于匹配场                        深海声影区的传播损失较大，在实际的水声探
             定位，以提高深海拷贝场的计算效率。陈连荣等                       [3]   测中，随着接收信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR)
             将高斯射线束方法用于深海匹配场定位。但是，匹                            降低，现有的声影区定位方法的性能逐渐下降或
             配场处理方法对于海底底质等环境参数的失配问                             失效。理论上，对接收信号时频谱进行二维傅里叶
             题比较敏感，且通常需要较大的垂直接收孔径以提                            变换(Two-dimensional Fourier transform, 2-D FT)
             高定位精度。                                            后处理，可将变换前能量分散的干涉条纹聚焦在变
                 为了提高定位稳健性以及减小接收孔径，国                           换后能量集中的较小区域内，以提高低 SNR 条件
             内外学者开展了大量深海声源定位方法研究。Tie-                          下的干涉结构检测能力            [17] 。但是，现有 2-D FT 研
             mann 等  [4]  利用单水听器接收信号提取多途时延                     究主要关注于浅海环境，针对深海声影区的有关
             差，对抹香鲸发出的宽带脉冲声源进行定位。杨士                            研究较少。浅海声场通常具有多组斜率近似相同
             莪  [5]  通过小型矢量立体阵接收的多途到达角，联合                      的干涉条纹，对应的 β 值在 1 附近，因此 2-D FT 幅
             解算声源方位、距离和深度。McCargar 等                [6]  通过    度谱通常呈现一条“脊” 状分布             [18] 。基于这一特性，
             垂直阵的窄带信号波束输出能量随距离变化的明                             Cockrell等 [19]  利用2-D FT估计浅海声场的干涉条
             暗干涉周期，估计直达声区内的声源深度。王文博                            纹斜率，从而解算声源距离。相比之下，深海声影区
             等  [7]  进一步利用宽带声场的频率-掠射角干涉结构，                     中的 β 分布复杂多变，影区声场的特点在于干涉条
             估计直达声区内的声源深度。                                     纹种类较少，对应的 2-D FT 幅度谱通常呈 “点” 状
                 在声影区中，声场由经一次海底反射的多途声                          分布，不能直接沿用浅海声源定位方法。因此，有必
             线主导，这些声线的到达俯仰角和时延差等多途特                            要进一步研究影区干涉条纹及其 2-D FT 幅度谱的
             征可利用小孔径阵列获取。此外，上述多途参数受                            分布规律与声源位置的关系，再通过 2-D FT 方法
             海底底质的影响较小，且由于海底反射声线的掠射                            提取上述幅度谱分布结构，以实现低 SNR条件下的
             角较大，声速剖面的不确定性对其影响也较小。因                            深海声源定位。
             此，利用声影区的多途特征可实现比较稳健的声源                                本文基于射线理论，在研究深海声影区中水面
             定位。Duan 等    [8]  利用近水面深度的垂直短阵进行                  运动声源形成的时频谱干涉结构的基础上，建立了
             窄带观测，通过加权子空间匹配方法进行声源定位。                           频率干涉周期与声源距离的关系、时间干涉周期与
             吴禹沈等    [9]  利用水下滑翔机接收脉冲声信号，通过                    声源径向速度的关系。通过时频谱的 2-D FT 幅度
             多途到达时延差进行声源定位。谢亮等                   [10]  通过垂     谱提取上述两种时频干涉周期，再通过多频带处理
             直阵提取脉冲簇到达结构，进行水下声源定位。刘                            方法提高低 SNR 下的检测能力。数值仿真及海试
             与涵等   [11]  利用短间距垂直双水听器接收窄带宽信                     数据处理结果表明，相比于现有的利用接收信号自
             号，通过频谱搬移和稀疏时延估计方法提取多途到                            相关的声源测距方法，所提出的利用时频谱2-D FT
             达时延差，估计声源距离。                                      的定位方法得到的距离和径向速度估计精度较高，
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