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深海环境下基于垂直阵的目标深度和距离估计方法研究

摘要

随着“开拓深远海”战略目标的提出，学者们逐渐将研究焦点从浅海声学转移到

深海声学，特别是深海目标探测问题。在真实海洋环境中，海水的非均匀性以及海面

和海底的特性使得实际水下声传播与传统目标探测理论所使用的理想平面波假设存在

显著差异。本文针对深海声场环境下垂直阵被动定位问题，利用结合水下物理场特性

的信号处理方法，通过从声线多途到达特征和接收信号能量两个角度出发，研究了环

境适应型被动定位算法，获取了更为准确的声源深度和距离估计结果。具体研究内容

如下：

研究了深海可靠声路径下基于多途到达特征的定位算法。针对声线到达时间特征，

利用垂直阵提取多途到达时延差，研究了自相关处理获取时延差值的方法，通过与

Bellhop模型生成的拷贝时延差进行匹配搜索进而估计声源的深度和距离。针对传统算

法计算量大、估计精度低的缺点，研究了基于到达时延差进行声源深度和距离估计的

改进算法，通过加入掠射角联合匹配得到了稳健性更强、估计结果更为精确的声源深

度与距离，并进行了仿真和实验数据的处理验证。

研究了深海可靠声路径下基于矢量信号的频域振荡周期与振速能量差联合估计声

源深度—距离的算法。针对振荡周期是声源距离和深度的函数，利用接收信号转换到

频域的方法获得振荡周期，并研究了质点水平和垂直振速能量差对声源距离进行估计。

最终，将振荡周期和估计的声源距离代入深度函数，从而估计声源的深度。这种方法

充分利用了矢量信号的信息，获得了较为准确的估计结果，深海试验数据验证了此方

法的有效性。

研究了深海可靠声路径下基于干涉特征的估计算法。针对干涉特征与声源位置的

相关性，利用Bellhop模型分析频率—深度声强矩阵干涉条纹随声源位置的变化，通过

对每个阵元进行傅里叶变换得到频率—深度声强矩阵，然后利用结构相似性指数与预

设的拷贝声强矩阵进行匹配搜索，从而获得精度较高的声源深度—距离估计结果，且

该方法无需垂直阵元同步处理。

关键词：深海可靠声路径；被动定位；多途到达结构；矢量信号；干涉特征

深海环境下基于垂直阵的目标深度和距离估计方法研究

Abstract

Withthestrategicgoalofexploringthedeepsea,scholarshavegraduallyshiftedthe

focusofresearchfromshallowseaacousticstodeepseaacoustics,especiallythedetectionof

deep-seatargets.Intherealmarineenvironment,theinhomogeneityofseawaterandthe

characteristicsoftheseasurfaceandseabedmaketheactualunderwateracousticpropagation

significantlydifferentfromtheidealplanewaveassumptionsusedintraditionaltarget

detectiontheory.Inordertosolvetheproblemofpassivelocalizationofverticalarrayinthe

deep-seaacousticfield,thispaperusesthesignalprocessingmethodcombinedwiththe

characteristicsoftheunderwaterphysicalfield,andstudiestheenvironment-adaptivepassive

localizationalgorithmfromtheperspectivesofmulti-patharrivalcharact