Page 41 - 《应用声学》2025年第1期
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第 44 卷 第 1 期             刘与涵等: 深海移动水平阵声源被动定位方法研究进展                                           37


                 methods, matched-field processing methods, deep-ocean environmentally adapted methods based on multipath
                 propagation characteristics, and machine learning methods. Future development trends and promising research
                 ideas are also discussed.
                 Keywords: Deep ocean; Horizontal array; Source localization; Passive localization

                                                               反射模式;较小出射角范围内的声线则被陷获在水
             0 引言
                                                               体中,并在海面附近形成高声强的焦散区域,称为会
                                                                                                         3
                                                                                                  2
                                                               聚区,如图 3 所示      [4−5] 。图中,A A 、A A 、A A      3′
                                                                                            1
                                                                                                     2′
                                                                                              1′
                 深海声学研究是开发深海国土资源、建设水下
                                                               分别为第一、第二、第三会聚区;在会聚区之间,直达
             安全体系、维护国家海洋权益的重要技术手段,在国
             家海洋发展战略中具有重要地位。移动平台在深海                            声线与反转声线无法抵达的区域称为声影区,C 1 、
             环境作业时,常利用其壳体安装或拖曳的水听器阵                            C 2 和C 3 则分别表示第一、第二、第三影区。
             列对外部声信号进行目标观测和海洋信息获取,发                                                  ܦᤴ/(mSs -1 )
             现感兴趣的目标,然后估计其方位、距离、深度等位                                         1460             1500            1540
                                                                         0
             置参数。因此,需要研究有效且实用的深海声源定                                                  ᛫᭧ฉ࠮       ຉՌࡏ
                                                                                     ܦᤴҖ᭧
             位方法,以满足移动平台水声装备发展的迫切需求。                                                          ພᡤࡏ
                 过往的综述文章主要讨论了基于单阵元、水平                                 1000                 ງ๒ܦ᥋ᣉ
             拖线阵以及潜标垂直阵的深海声源被动定位方法
             研究进展    [1−3] 。水平阵在移动平台上具有较好的适                          ງए/m  2000
             装性,例如,水平三元子阵、垂直双水平阵等组合基
             阵能够获取声场信息随空间分布的变化情况,共形
                                                                      3000                    ኎ພࡏ
             阵、多条水平阵等立体基阵具备二维波束形成能力,
             有效利用这些基阵形态,可为声源定位方法融入更
             多的观测信息维度。
                 本文旨在梳理深海声源被动定位方法的研究                                                           [4]
                                                                           图 1  深海典型声速剖面
             成果,分析各类定位方法对于移动水平阵的适用性,                                                                      [4]
                                                                Fig. 1 Typical sound velocity profile in deep ocean
             为深海水声装备的发展提供思路。
                                                                           ᛫᭧ฉ࠮ʾ᣸ႍ
             1 深海环境与声传播特性                                       ᛫᭧ฉ࠮                                 ͘ᐑӝ

                 图 1 给出了深海环境的典型声速剖面,由浅至                         ງ๒ܦ᥋ᣉ
             深可分为表面混合层、温度跃变层和深水等温层。
                                                                                                    ᛫᭧ฉ࠮෺᭛
             这种海水分层现象可形成 5 种声传播模式,如图 2
             所示,分别为表面波导、表面波导泄漏、可靠声路径、
             会聚区以及海底反射模式。                                                                           ๒अԦ࠱ηՂ
                 冬季的混合层温度比较均匀,受海水静压力作
                                                                ˚ႍງए
             用形成声速正梯度,声线向海面偏折,并被海面边                             ງए͸᧚                          Ի᭥ܦ᡹य़
             界截留在海水表层,形成表面波导。表面波导可实                                                   ๒अ
             现远距离声传播,但这种传播模式随季节、昼夜和
             空间变化强烈,部分低频声能量还会向海底方向泄                                       图 2  深海声传播路径示意图        [4]
             露。当声源位于近水面深度、基阵位于临界深度以                               Fig. 2 Schematic diagram of sound propagation
                                                                  paths in deep ocean [4]
             下时,声源与基阵之间的直达声线可覆盖 5∼8 倍海
             深的水平距离范围,形成可靠声路径。当声源、基阵                               对于移动水平阵应用场景,不同的声源位置可
             均位于近水面深度时,直达声线只能传播几千米远,                           能伴随截然不同的声传播模式,基阵探测定位性能
             随后向海底偏折,经海底反射照亮声影区,形成海底                           随之剧烈变化。考虑 5000 m 深海环境,声源、基阵
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