Page 113 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 梁启慧等： 不完全深海声道下多途到达结构特性及测距 647

validating the accuracy of the method. Therefore, this research has the potential to provide theoretical reference
for deep-sea source localization studies.
Keywords: Incomplete deep-water acoustic channel; Multipath delay difference; Passive ranging; Ray theory

了许多直达声区声源定位方法。Duan 等 [15] 利用自
0 引言
相关函数提取了直达波和海面反射波之间的多途
时延差信息，并利用该信息研究了深海可靠声路径
深海环境中的目标远程探测一直是海洋声学
下的移动声源定位。Li 等 [16] 对深海可靠声路径下
研究热点，在深海完全声道环境下的目标定位研究
的直达声和海面反射声的时延差匹配实现了被动
已取得了重要进展 [1−19] 。目前，深海低频远程被动
测距。王梦圆等 [17−18] 利用直达声与经过海底海面
定位主要有三类方法 [1] ：匹配场定位、频域干涉条
反射声之间的到达时间差以及直达声与海面反射
纹定位以及多途到达结构定位等。匹配场定位最早
声之间的到达时间差提出了两种完全深海声道直
由Bucker [2] 提出，将测量得到的声场与模型计算的
达声区水下声源被动定位方法，但需要大的垂直接
拷贝场做互相关，求得声源位置的模糊度极值从而
收阵元间距。吴俊楠等 [19] 通过分析完全深海声道
实现定位。Westwood [3] 利用宽带频间相关匹配场
海底反射声下的一次反射声线与直达声的时延差，
处理，证明了增加信号带宽可以提高定位精度。周
得到时延差与距离的关系，进行被动测距。
士弘等 [4] 将广义相积分简正波方法用于计算拷贝
与完全声道下的声场结构不同，不完全深海声
声场，利用实验数据验证了深海匹配场定位的可能
道下多途效应更为复杂，直达声区与声影区范围较
性。陈连荣等 [5] 利用高斯射线束方法计算拷贝场，
小，直达声与一次反射声无法进行远距离传播 [20] 。
有效提高了拷贝场计算效率，证明该方法适用于深
故需要考虑多次海底海面反射声与只经过海底反
海近程的拷贝场计算。匹配场定位使用了声场的全
射后的反转声。前述研究多以深海完全声道为背
部信息，当阵列模型失配或环境参数失配时，易导致
景，利用不完全声道复杂的多途结构进行测距目前
定位误差增加。
还处于空白。我国某海域深度较浅，多为不完全深
频域干涉条纹定位包括可靠声强度干涉条纹
海声道，如何利用海底海面反射声场开展深海水下
定位及波导不变量定位。可靠声路径强度干涉条纹
目标远程定位具有重要应用价值。因此本文通过射
定位由McCargar等 [6] 和Zurk等 [7] 提出，在可靠声
线声学分析了不完全深海声道下多途到达结构；推
路径下通过俯仰角-距离维干涉条纹估计声源深度。
导了多途时延差与距离的关系，考虑反转声线对多
Duan 等 [8−9] 研究了声强图中的干涉模式，给出了
途到达结构的影响，并进行仿真计算；统计了理论时
定量计算干涉条纹数量的方法，并提出了匹配干涉
延差与实际观测时延差的误差及其来源。海上实验
结构方法用于估计宽带声源的深度。徐嘉璘等 [10]
结果验证了方法的正确性，可为不完全声道下目标
利用垂直短阵的变化特性改进提出了一种基于深
测距提供更进一步的理论支持。
海海底反射声场干涉结构的水下宽带近海面声源
深度的估计方法。翁晋宝等 [11−12] 将多途到达结构
1 实验介绍
与波导不变量定位结合起来，利用本征声线到达时
间分析了深海直达声区和影区的干涉结构，发现波 1.1 实验海区情况介绍
导不变量与声源深度、接收深度及收发距离有关，并 2022年秋季在某海域(图1(a))进行实验。根据
将其用于海底声学参数反演。Emmitiere等 [13] 利用 深水多波束的海深测量结果，实验海区海底平坦，
深海中的波导不变量分布判别声源深度。 平均海深 1640 m，最大海底坡度不超过 0.7 ；经海
◦
深海声场具有明显的多途传播特性，利用多途 底柱状采样，海底地质为粉砂质黏土。声源为 18 枚
到达结构进行被动定位更具有稳健性，且适用于小 200 m 定深、质量 1000 g 的宽带爆炸信号弹，以 O
孔径的接收条件。Tiemann 等 [14] 最早从抹香鲸发 点为圆心，半径约 22 km 绕圆投放。信号接收单元
出的宽带脉冲提取到多途时延信息，实现了声源跟 为布放于海底的一台线缆式实时传输海底地震仪
踪。近年来由于可靠声路径的广泛应用前景，涌现 (Ocean bottom seismometer, OBS)。OBS位置由船