Page 43 - 《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                                           39


             耦合关系，单阵元定位结果会在距离和深度上呈现                            导向矢量计算，而后利用聚焦波束进行测距；对于水
             一条模糊曲线，结合三元阵定位结果可消除定位模                            平阵，可尝试结合其他声场特征量，对测距偏差进行
             糊  [20] 。                                         修正。
                 总体而言，三元阵利用较高工作频率和声波的
                                                                                    S  ϕ
             几何扩展关系实现中近距离声源定位，无需精确的
             环境参数作为先验信息。目前，该方法的研究主要                                         O   R ic ϕ                     y
             集中于时延差准确估计和阵元布放。但是，在海底                                           ๒᭧
                                                                x       ᐑཥੳଡག           C                 D
             反射声传播模式下，三元阵定位结果会出现较大偏                                    z 
                                                                                S 
             差；在信噪比较低以及存在多途的情况下，相关函数                               z                              S  ϕ
             会出现多峰值，造成时延差难以有效提取，这些问题                                                   S 
                                                                H                               ᐑཥੳଡӝ۫
             都有待进一步研究。                                                         R ic    ᄬಖ
             2.2 聚焦波束形成方法                                                      ๒अ
                                                                     y
                 聚焦波束形成方法是一种基于球面波传播模                                          z
             型的近场定位方法，有别于远场平面波波束形成，对                              图 5  聚焦波束形成近场三维定位示意图            [27]  (H 表
             距离和方位角进行二维聚焦扫描，通过补偿各阵元                               示海深，z 0 表示声源深度，z 1 表示聚焦扫描区域的
                                                                                             ′           ′
             信号相位差，估计距离 -方位二维空间谱，实现声源                             深度，声源 S 0 及其海面反射虚源 S 0 分别在 S 1 和 S 1
                                                                  位置形成聚焦峰)
             定位  [21−22] 。在多途传播条件下，空间谱会出现多
                                                                  Fig. 5 Schematic of 3D positioning in near field
             个聚焦峰，旁瓣级较高，造成聚焦模糊和定位误差；                              using focused beamforming [27]  (H shows the wa-
             通过虚拟时间反转镜方法进行信道匹配，或通过虚                               ter depth; z 0 shows the source depth; z 1 shows the
             阵聚焦波束形成方法扩大等效声学孔径，可有效抑                               depth of the scanning area. The source S 0 and
             制伪峰和旁瓣，提升空间谱分辨能力                 [23] 。为减小聚          its surface-reflected virtual source S 0 form bright
                                                                                               ′
             焦搜索的计算量和数据存储量，可将大孔径水平阵                               spots in the focused spatial spectrum at positions
                                                                         ′
             划分为多级子阵，进行逐级聚焦处理，并依据子阵测                              S 1 and S 1 , respectively)
             量结果缩小搜索范围          [24−26] 。考虑到水平阵具有圆             2.3  目标运动分析方法
             锥角模糊特性，难以直接估计声源深度，在多途环境                               目标运动分析(Target motion analysis, TMA)
             下，可通过直达波与海面反射波形成的聚焦峰位置                            方法从被动接收信号中提取目标声源运动特征，估
             解算声源深度，其原理如图 5 所示             [27−28] 。此外，可       计声源的距离、速度、航向等运动参数。根据输入信
             结合最小方差无失真响应            [29] 、零点约束  [30] 、反卷积      息不同，可分为纯方位 TMA 和方位 -频率 TMA 等
             后处理   [31]  等方法，提高空间谱分辨能力，进而提高                    类型。
             定位精度。                                                 纯方位 TMA 利用不同时刻的声源水平方位信
                 作为一种基于球面波模型的几何定位方法，聚                          息解算声源运动参数          [32] ，相比三元阵被动定位和聚
             焦波束形成同样不需要预知确切的环境参数信息。                            焦波束形成方法，远程定位能力较强；相比 MFP 等
             该方法要求声传播特性与球面波模型比较接近，才                            模基方法，对海洋环境参数依赖程度较低，因而得到
             能取得较好的定位效果。对于远程目标，聚焦波束                            广泛应用。对于纯方位 TMA，系统的可观测性、观
             形成的定位误差显著增大。对于大孔径水平阵，若                            测阵的机动航路以及运动方程求解算法是实现定
             阵列接收信号空间相关性下降，也会影响聚焦波束                            位的基础。为满足系统可观测性条件，通常要求观
             形成的定位性能。此外，现有的聚焦波束形成定位                            测阵实施至少一次有效机动，加之算法收敛时间较
             方法主要针对浅海近程声场。理论上，该方法可推                            长，不利于隐蔽、快速探测           [33−34] 。此外，声源方位估
             广至深海直达声区，但是当收发深度相差较大时，波                           计误差和观测阵的机动航路对定位性能具有显著
             达俯仰角随之增大，可能引起声源距离估计偏差。                            影响   [35−36] 。针对观测方程非线性的问题，有关学者
             对于立体阵，可尝试先通过平面波波束形成估计俯                            将伪线性最小二乘         [37−38] 、极大似然估计      [32] 、扩展
             仰角，再将其作为先验信息，代入聚焦波束形成器的                           Kalman 滤波   [39−41]  以及非线性滤波      [42−43]  等方法
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