深海聲傳播信道和目標(biāo)被動定位研究現(xiàn)狀

楊坤德 李 輝 段 睿

1 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院 西安 710072

2 海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)）西安 710072

冷戰(zhàn)結(jié)束之后，國際水聲界的理論和實(shí)驗(yàn)研究偏重于淺海，國內(nèi)水聲界的工作也主要集中在我國周邊近海的大陸架淺海環(huán)境。但是最近十幾年，為了爭奪海洋資源，國際上的“藍(lán)色圈地”運(yùn)動深入深海。我國海洋科技特別是深海領(lǐng)域起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比，在裝備和技術(shù)體系的建設(shè)方面存在巨大差距?！丁笆濉焙Ｑ箢I(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》將深海探測技術(shù)研究列為重點(diǎn)任務(wù)之一，深海環(huán)境中的目標(biāo)遠(yuǎn)程探測已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

研究基于水聲傳播物理特征的信號處理技術(shù)是推動水聲裝備進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展的重要途徑。只有將海洋環(huán)境復(fù)雜性考慮在內(nèi)，新型聲吶才有可能達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)性能。從這個角度來說，深海聲吶技術(shù)取得跨越式發(fā)展的重要途徑之一，在于對深海環(huán)境水聲傳播特性的深入挖掘。總而言之，水聲物理模型、信號處理技術(shù)與海洋環(huán)境緊密結(jié)合是水聲技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1]。

1 深海聲傳播信道

深海最大的特點(diǎn)是其獨(dú)有的海洋分層現(xiàn)象及其產(chǎn)生的不同聲傳播模式，這些聲傳播模式與聲吶的工作原理密切相關(guān)。圖 1 為低緯度地區(qū)一個典型深海聲速剖面下聲傳播路徑示意圖。聲速剖面為典型的 3 層結(jié)構(gòu)：表面等溫層（形成表面波導(dǎo)）、溫躍層和深海等溫層。在深海等溫層，當(dāng)某深度上的聲速與海面聲速相同時，該深度稱為臨界深度。聲線由表面波導(dǎo)底部出射，出射角度為 0o—5o，傳播路徑如圖 1 中所示。下面分析每種深海信道及其在目標(biāo)探測中的應(yīng)用。

1.1 表面波導(dǎo)

表面波導(dǎo)是由海洋表面等溫層導(dǎo)致聲速剖面微弱正梯度形成的，表面波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)水聲的遠(yuǎn)距離傳播，因此，表面波導(dǎo)特性及其聲傳播受到了廣泛關(guān)注。Baker[2]和 Schulkin[3]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了表面波導(dǎo)中近距離聲傳播損失的經(jīng)驗(yàn)公式；Duan 等[4]分析了聲吶在表面波導(dǎo)中主動發(fā)射和被動接收時的最優(yōu)深度，以及表面波導(dǎo)中聲波的波達(dá)角問題。夏季的表面波導(dǎo)層很薄并且不穩(wěn)定，存在強(qiáng)烈的時空變異性，是不穩(wěn)定的信道[5]。在冬季，表面波導(dǎo)較為明顯，但當(dāng)聲吶系統(tǒng)在近海面工作時，由于海面混響和近海面噪聲的干擾，目標(biāo)探測距離有限。

表面波導(dǎo)“陷獲”聲波有頻率的要求。所有波導(dǎo)都存在低頻截止的問題，即存在一個截止頻率——在這個頻率以下，聲能將不能在波導(dǎo)中遠(yuǎn)距離有效傳播。在典型深海環(huán)境中，表面波導(dǎo)層厚度一般小于 50 m，此時，只有聲波頻率很高時，表面波導(dǎo)才能真正起到波導(dǎo)傳播作用。

圖1 低緯度地區(qū)典型深海聲速剖面下聲傳播路徑示意圖

1.2 表面波導(dǎo)泄露

隨著潛艇降噪技術(shù)的不斷發(fā)展，潛艇噪聲級顯著降低。同時，消聲瓦的使用，很大程度地減小了中高頻主動聲吶的探測距離，因此聲吶低頻化成為對抗安靜型潛艇的重要手段。表面波導(dǎo)泄露則是低頻信號在深海傳播時一種獨(dú)有的傳播現(xiàn)象。

如圖 1 藍(lán)色點(diǎn)劃線所示，當(dāng)?shù)皖l聲能在表面波導(dǎo)中傳播時，一定條件下有較強(qiáng)的能量可傳播至深?！奥曈皡^(qū)”，從而實(shí)現(xiàn)“聲影區(qū)”內(nèi)的水下目標(biāo)檢測，具有重要意義。Labianca[6]利用簡正波理論刻畫了表面波導(dǎo)中的聲能量泄漏現(xiàn)象，隨后，Murphy 和 Davi[7]又利用射線理論解釋了這一現(xiàn)象。此外，Porter 和 Jensen[8]結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了聲能量泄漏的重要性。最近，Duan 等[9]分析了表面波導(dǎo)的聲繞射現(xiàn)象的物理機(jī)理，并給出能量衰減的速度隨表面波導(dǎo)厚度和頻率變化的表達(dá)式。上述研究結(jié)果表明，利用表面波導(dǎo)的泄漏能量探測影區(qū)中的目標(biāo)，需要采用低頻信號。

1.3 會聚區(qū)

當(dāng)聲源位于海面附近，以較大的俯角發(fā)射的聲線，一開始向下彎曲，在深海等溫層隨著聲速的增大，聲線逐漸向上彎曲，最后在海面附近會聚。聲線彎曲形成的高聲強(qiáng)的環(huán)帶即為通常所說的會聚區(qū)。在大約 30—50 km 跨度處形成第一個會聚區(qū)，第一個會聚區(qū)寬度約為 4 km，隨著距離增加而不斷增大。

會聚區(qū)內(nèi)的傳播以球面方式擴(kuò)展，有關(guān)會聚區(qū)聲傳播的基礎(chǔ)研究包括會聚區(qū)強(qiáng)度、距離[10]，會聚區(qū)內(nèi)信號相關(guān)性、到達(dá)結(jié)構(gòu)等[11-13]。結(jié)合 2013 年在我國南海進(jìn)行的深海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Li 等[14]分析了深海 1 800 m 以淺、180 km 距離范圍內(nèi)的聲場的空間相關(guān)性。研究結(jié)果表明，當(dāng)參考聲信號位于會聚區(qū)時，深海聲場的空間相關(guān)系數(shù)隨接收距離和接收深度的分布與傳播損失空間分布結(jié)構(gòu)基本一致；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示各會聚區(qū)的水平縱向相關(guān)半徑與會聚區(qū)寬度一致。

由于聚焦增益的原因，會聚區(qū)聲傳播損失小，適合用于遠(yuǎn)程目標(biāo)探測。但同時由于會聚區(qū)是周期性的出現(xiàn)，雖然探測距離遠(yuǎn)，但是探測盲區(qū)大，且存在會聚區(qū)模糊現(xiàn)象。

1.4 海底彈射

與會聚區(qū)相伴而生的是聲影區(qū)，該區(qū)域沒有直達(dá)聲線覆蓋，聲能量較低。由于表面波導(dǎo)、內(nèi)波、鋒面、粗糙海面等環(huán)境因素，一部分聲能通過散射和繞射效應(yīng)可進(jìn)入聲影區(qū)[15,16]，提高聲影區(qū)能量。當(dāng)位于海面附近的聲源，向下出射的聲線俯角足夠大時，聲線在海底反射，聲能“照射”聲影區(qū)，從而探測聲影區(qū)中的目標(biāo)[17,18]。

這種探測方式主要是通過控制發(fā)射波束，根據(jù)反射幾何原理探測特定距離聲影區(qū)內(nèi)的目標(biāo)。探測效率取決于海底的性質(zhì)，海底越“軟”，海底反射損失越大，海底反射信號的能量越弱。在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要采樣低頻信號以減小傳播損失，所以該探測模式需要非常大的發(fā)射功率以及較大的基陣孔徑。

1.5 可靠聲路徑

當(dāng)水聽器布放在臨界深度以下，如圖 1 中黑色實(shí)圓點(diǎn)所示，此時，目標(biāo)與水聽器之間存在的直達(dá)波傳播路徑被稱為可靠聲路徑?？煽柯暵窂绞且环N重要的深海聲傳播信道，由于具有傳播距離遠(yuǎn)（海深的 5—7倍）、中近距離無影區(qū)、傳播損失低、信道穩(wěn)定、低頻環(huán)境噪聲級低等優(yōu)勢，而被廣泛研究。

可靠聲路徑最早是在海嘯波檢測和預(yù)警方面發(fā)揮著重要作用[19]。將可靠聲路徑聲傳播研究作為實(shí)驗(yàn)的一部分，美國在菲律賓海先后組織了兩次大型實(shí)驗(yàn)，分別稱為 PhilSea09 和 PhilSea10[20]。在 PhilSea10 實(shí)驗(yàn)中，2010 年 4 月開始布放大規(guī)模的水聲測量基陣，連續(xù)觀測時間長達(dá)一年。國內(nèi)針對深遠(yuǎn)海的海洋環(huán)境特性、水聲傳播特性和聲吶性能評估等方面的研究也是近幾年才開始發(fā)展的，如深海大深度聲場空間相關(guān)性[21]。目前，針對可靠聲路徑條件下的聲傳播特性，仍缺乏長時間、深入系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)觀測，該領(lǐng)域仍有很大的發(fā)展空間。

2 深海被動定位

水聲信號處理發(fā)展歷程可以分為兩個階段：第一階段為傳統(tǒng)水聲信號處理方法，聲波假設(shè)為平面波，并且假設(shè)聲場各向同性，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了豐富的陣列信號處理方法，并且使用匹配濾波技術(shù)提高處理增益。第二階段將水聲物理納入水聲信號處理體系中，這一階段海洋聲學(xué)和水聲傳播理論成為研究熱點(diǎn)，匹配場處理（matched field processing，MFP）是這一時期最具代表性的目標(biāo)定位方法。

在深海環(huán)境中，多途干涉是聲傳播的重要特征之一，在時域和空域分別用多途時延和多途到達(dá)角表征。本部分首先介紹匹配場處理在深海的應(yīng)用情況，然后結(jié)合深海聲傳播的多途特征，概述可靠聲路徑條件下目標(biāo)被動定位的研究進(jìn)展。

2.1 匹配場定位

對水聲信道傳播特性的深入研究，使人們逐漸重視海洋波導(dǎo)環(huán)境的復(fù)雜性對水聲信號處理的影響。匹配場處理將海洋物理場納入到信號處理框架中，將實(shí)際測量的水聲數(shù)據(jù)與由模型得到的拷貝場作互相關(guān)，求得一個模糊表面，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

匹配場定位方法在深海被動定位中的應(yīng)用，最早的實(shí)驗(yàn)研究可追溯至 20 世紀(jì) 80 年代，F(xiàn)izell 和 Wales[22]使用一個垂直線列陣成功定位到 260 km 遠(yuǎn)處的低頻聲源信號；隨后，Yang[23]使用同一組數(shù)據(jù)利用模態(tài)分解的方法也成功實(shí)現(xiàn)了聲源距離和深度的估計(jì)。Transfer 和 Hodgkiss[24]報道了在太平洋東北部進(jìn)行的深海匹配場被動定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中使用了兩種聲源：一種是定深拖曳聲源；另一種是聲源距離固定，聲源深度變化。研究結(jié)果表明，無論常規(guī)匹配場處理器還是最小方差無畸變匹配場處理器都能在聲源距離估計(jì)上取得較好的效果，但是聲源深度估計(jì)結(jié)果模糊太大。Westwood[25]報道了在墨西哥灣進(jìn)行的寬帶匹配場定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用寬帶頻間相關(guān)匹配場處理，成功實(shí)現(xiàn)了 43 km 以內(nèi)聲源的定位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增加信號帶寬可以提高定位精度。陳連榮等[26]研究了高斯射線束方法在深海匹配場定位中計(jì)算拷貝場時的適用性問題。

盡管有諸多實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了匹配場處理在深海被動定位中的有效性，但是匹配場處理對模型誤差的敏感性問題一直沒有很好的解決辦法；此外，為了得到更好的定位效果，理論上需要大孔徑陣列以減小定位模糊，然而這種陣列的工程實(shí)現(xiàn)也非常困難，因此傳統(tǒng)匹配場處理技術(shù)在深海定位應(yīng)用中難以取得突破性進(jìn)展。

2.2 基于多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)定位

在深海環(huán)境中，利用小孔徑基陣便可以獲得強(qiáng)目標(biāo)信號的多途時延和多途到達(dá)角信息。因此，基于多途到達(dá)角和多途到達(dá)時延匹配的被動定位方法便有了廣泛的研究和應(yīng)用。

在可靠聲路徑條件下，Duan 等[27]利用自相關(guān)函數(shù)提取了直達(dá)波和海面反射波之間的時延差信息，然后結(jié)合聲場建模，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動目標(biāo)初始狀態(tài)的估計(jì)?；谥边_(dá)波和海面反射波之間時延變化規(guī)律，Lei 等[28]提出了一種時延互相關(guān)匹配，仿真和實(shí)驗(yàn)均實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)距離和深度的估計(jì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是利用兩條時延模糊曲線的交叉信息指示目標(biāo)位置信息，可以實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的穩(wěn)健定位。孫梅和周士弘[29]分析了大深度接收時聲線到達(dá)角變化規(guī)律，并提出了基于矢量水聽器水平振速和垂直振速能量差的被動聲源測距方法。

2.3 基于頻域干涉條紋的定位

多途時延對應(yīng)頻域中的干涉周期，將接收信號轉(zhuǎn)換到頻域，可以利用干涉條紋的周期振蕩特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

McCargar 和 Zurk[30]利用直達(dá)波和海面反射波的干涉周期與聲源深度的對應(yīng)關(guān)系，提出了一種基于修正傅里葉變換的單頻信號定深方法。隨后，Boyle 等[31]對上述方法的性能和應(yīng)用限制做了進(jìn)一步的分析。但是，目前該方法僅限于理論分析，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的主要困難在于海面起伏很大程度上破壞了接收聲場的空間干涉結(jié)構(gòu)。Duan等[32]使用簡正波的射線描述方法，研究了勞埃德鏡干涉的形成原因，并給出了定量計(jì)算干涉條紋數(shù)量的數(shù)值方法。Yang 等[33]研究了基于深海大深度聲場互相關(guān)特性的單水聽器目標(biāo)定位方法。在干涉圖案中有兩類干涉條紋：第一類干涉條紋與目標(biāo)運(yùn)動速度有關(guān)，第二類干涉條紋與目標(biāo)深度有關(guān)。通過傅里葉變換，將干涉條紋的振蕩周期分別轉(zhuǎn)換為目標(biāo)徑向運(yùn)動速度信息和目標(biāo)深度信息。利用西太平洋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)估計(jì)方法的有效性。

在可靠聲路徑環(huán)境下，已有研究主要是揭示深海聲場的聲學(xué)物理機(jī)理和變化規(guī)律，提出水聲物理和信號處理相結(jié)合的目標(biāo)探測新原理、新方法，針對深海遠(yuǎn)程低信噪比條件，如何有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，還缺乏深入的理論和應(yīng)用研究。

3 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國夢，必須全面提升對全球海洋尤其是深海環(huán)境的科學(xué)認(rèn)知能力。在未來深海戰(zhàn)場上，潛艇又是最具威脅的戰(zhàn)略性武器之一。因此，深入研究水聲傳播物理特性，有助于提升深海聲吶目標(biāo)遠(yuǎn)程探測能力，對海洋強(qiáng)國建設(shè)具有重要的意義。隨著聲傳播特性研究的不斷深入和信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，針對水下弱目標(biāo)信號，應(yīng)研究高增益寬容性水聲信號處理理論與方法、聲及非聲探測與識別新原理新方法，提高復(fù)雜環(huán)境下水中兵器的探測與識別能力。