Page 45 - 《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                                           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
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