Page 171 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 李健等： 利用水下滑翔机的深海影区声源深度估计 705

a passive method for estimating the depth of the deep-sea sound shadow region near the sea surface by using
the multi-path delay difference is proposed, which is suitable for underwater gliders and other mobile platforms.
The data of underwater glider sea test show that the estimated depth of sound source is in good agreement
with the real value, and the average error is only 7.27%, which verifies the effectiveness of the proposed method.
Keywords: Deep sea sound shadow zone; Multipath delay structure; Underwater glider; Passive sound source
localization
海声影区中声线到达结构形成的过程，提出了一种
0 引言
未知海洋环境下的单水听器声源深度估计方法，对
随着海洋资源的日益枯竭和人们对海洋环境 该方法对不同深度目标的估计性能进行了仿真分

变化认知的不断深入，对于高效、精准的海洋观测 析，并通过水下滑翔机深海声学实验验证了方法的
需求不断增加。传统的水下观测手段面临着成本高 适用性。
昂、覆盖范围有限等问题 [1] 。水下滑翔机应运而生，
以其低成本、长航时、大范围覆盖的特点，成为解决 1 深海声影区多途时延差结构及声源深
这些问题的有效工具 [2−3] 。其独特的滑翔机制使其 度估计
能够在水下长时间滑翔，一方面大大提高了观测的
深海表层声源激发的声场在空间上可以划分
时空分辨率，另一方面为远距离敏感区域探索提供
为直达声区、声影区和会聚区三部分，分别对应直
了新的可能。水下滑翔机作为水下无人航行器的一
达声线到达区、反射声线到达区和反转声线到达区。
种新形态，近年来在海洋勘探、环境监测等海洋科
当海水中的声速剖面为非完全声道时，在位于反转
学研究中崭露头角。Baumgartner等 [4] 通过水下滑
深度以浅的声源辐射的声场无法产生反转声线进
翔机搭载被动声学探测系统，以识别鲸类的声音信
而不存在传统意义上的声场会聚区。图1(a) 为使用
号。王超等 [5] 分析了水下滑翔机的平台噪声特点，
基于射线理论的 Bellhop [13] 仿真的声场传播损失
并开展了水下声学滑翔机海上目标探测实验，取得
示意图，仿真环境为深度为4290 m 的深海区域。水
了较好的效果。王文龙等 [6] 在水下滑翔机上搭载
中垂直声速剖面如图1(b)所示，海底为半无限空间，
了单矢量水听器，实现了对水面船目标的远距离探
海底声速为 1600 m/s，海底密度为 1.8 g/cm ，吸收
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测。水下滑翔机的主要问题在于水下位置的不确定
系数为 0.4 dB/λ，声源位于水下 140 m 深度，声源
性 [7−8] ，Jiang 等 [9] 通过流速模型结合到达角及时
频率 600 Hz。使用 Bellhop 仿真位于声影区内深度
延差等特征量，通过扩展卡尔曼滤波的方式对水下
300 m、距声源水平距离 10 km 处的水下接收器接
滑翔机位置进行跟踪修正。
收的声线到达结构如图 2 所示，图 2(a) 表示声源到
常用的深海声源深度估计方法包括匹配场处
理、基于多途到达结构的方法以及基于干涉结构的 接收器的各条本征声线的到达路径，图2(b) 表示的
方法。翁晋宝等 [10] 通过分析影区声场特征，提出 是各条声线路径到达接收器处的传播时间和到达
一种利用单水听器的影区无源测距测深方法，通过 信号幅度。
匹配声场频率干涉周期实现声源位置估计。徐嘉璘 可以看出，声线到达结构存在分簇现象，海
等 [11] 分析了影区时延差到达结构，通过大孔径垂 底 反 射 次 数 相 同 的 声 线 到 达 时 间 相 近， 海 底
直阵列实现了声源被动定位。吴禹沈等 [12] 通过平 反射次数不同的声线则到达时间差别较大。由
均海流流速修正了水下滑翔机的位置并根据两组 于声线经过多次海底反射后大部分能量会透射
到达声线的时延差对爆炸声源进行了位置估计，取 到海底，所以对于影区声场可以忽略多次海底
得了良好效果。水下滑翔机不断在海洋中运动，但 反射的声线贡献，只考虑经过一次海底反射声
运动速度较慢，且能搭载的水听器较少，覆盖孔径较 线 [14] 。影区内接收的一次海底反射声线仅包括
小，所获取的声场信息有限。尤其是需要在未知敏 4 条声线路径如图 3 所示，分别为海底反射 (BR)、
感海区进行独立工作时，水下滑翔机对整体海洋环 海面 -海底反射 (SBR)、海底 -海面反射 (BSR)、海
境参数获取较少，基于匹配场和匹配到达结构的方 面-海底-海面反射(SBSR)，则点源在接收处激发的
法对环境较为敏感。基于这个问题，本文分析了深 声压可以表示为这4条本征声线声压的相干叠加：