Page 45 - 《应用声学》2025年第1期

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 41

0 定位方法。其二是深海声源定位的测向、测距、测
ງए/m 100 深问题相互关联，声源距离信息和深度信息紧密耦
合，测距结果还可反馈作为移动水平阵测向系统的
200
300 输入信息。
25 50 75 100 125
ᡰሏ/km 深海环境适配方法的主要途径是利用声场的
(a) 25~125 kmവዺए᛫᭧ 多途传播特征。深海声场中，多途到达结构(到达俯
0
仰角、到达时延差等) 和多途干涉结构 (频率维干涉
ງए/m 100 周期、距离维/时间维干涉间隔、波导不变量分布等)
200
均与声源位置有关，可利用多途传播形成的特征物
300 理量解算声源位置。研究与深海环境相适配的定位
125 150 175 200 225
ᡰሏ/km 方法，本质上就是寻找对声源位置变化敏感、而对
(b) 125~225 kmവዺए᛫᭧ 环境参数变化较为宽容的特征物理量，并通过移动
0
水平阵有效估计上述特征物理量。
ງए/m 100 4.1 直达声区定位方法
200
得益于深海直达声区 (可靠声路径) 的广泛应
300
225 250 275 300 325
用前景，最近十年间，基于潜标垂直阵、海底固定水
ᡰሏ/km
平阵的定位方法大量涌现，对移动水平阵应用场景
(c) 225~325 kmവዺए᛫᭧
具有重要参考价值。当声源、基阵深度位于几百米
图 6 深海长距离匹配场定位的模糊度表面，在各会
以浅时，直达声区可覆盖几千米以内的水平距离范
聚区距离形成较强旁瓣 [65]
围，是近程探测的主要区域。
Fig. 6 Ambiguity surface of long-range match-
field processing in deep ocean, strong sidelobes 直达声区中，声场能量主要由直达波和海面反
appearing at the distances in several convergence 射波贡献。对于 “上发下收” 场景，多途到达结构具
zones [65] 有特殊性。其中，到达俯仰角随声源距离单调变化，
而与声源深度近似无关，只要基阵具有一定的垂直
MFP 是一种基于声场模型的阵列信号处理方
孔径，测量到达俯仰角，可解算声源距离 [80] 。到达
法，突破了基于自由场模型的波束形成器概念，为
时延差则与声源距离和深度有关，当声源距离已知
远距离定位提供了有效途径。但是，MFP 的声源深
时，通过单阵元接收信号 (单水平阵波束输出信号)
度估计结果比较模糊，且难以区分声场的周期相似
自相关估计到达时延差，可解算声源深度；当声源
结构，存在会聚区模糊等问题。此外，现有的水平阵
距离未知时，结合单阵元接收信号 (单水平阵波束
MFP定位方法主要针对浅海环境，针对深海环境的
输出信号) 自相关和垂直双阵元接收信号 (垂直双
适用性研究较少 [78−79] 。为了实现准确定位，MFP
水平阵波束输出信号) 互相关，可联合估计声源距
通常需要垂直大孔径基阵，在超过海水深度一半的
离 -深度 [81−83] 。若基阵缺少垂直孔径，则需利用时
范围内进行空间采样，严重限制了 MFP 方法在深
延差随水平距离 (观测时间) 变化的信息实现声源
海移动水平阵上的适用性。
定位。对两个相邻水平距离(观测时间)的接收声场

4 深海环境适配方法 做频域互相关处理，可形成两类互相关条纹，其振荡
周期与径向速度、声源距离和深度有关，假设声源距
考虑到深海环境与浅海具有显著差异，深海环 离已知，可解算其余两个位置参数。此外，利用非线
境适配方法更加契合深海声传播模式与声场特性。 性滤波方法对相关函数的时延峰进行检测和跟踪，
其一是深海声场在空间上呈现明显的分区结构，对 可联合估计上述三个位置参数，并改善低信噪比条
于中低纬度地区、海深大于 1000 m(一般) 的海洋环 件下的定位性能 [84−85] 。
境，声场通常会形成直达声区、声影区和会聚区的 直达声区的声场可近似为直达波与海面反射
分区结构，针对不同区域的声传播模式采取不同的 波的相干叠加，从而形成 Lloyd 镜干涉现象。宽带