基于拖曳線列陣的深海被動探測研究進展

謝亮 林旺生 王魯軍

（1.聲納技術(shù)重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023）

（2.中國船舶重工集團公司電子信息部，北京，100097）

0 引言

目前，我國水聲研究以淺海為主，美國的研究則是由深海至淺海。隨著近年來國際格局的變化，國內(nèi)開始關(guān)注深遠海，并在太平洋、南海等海域開展一系列深遠海實驗，獲得了很多珍貴的數(shù)據(jù)，針對深海環(huán)境條件下的聲場特征和聲傳播規(guī)律展開了相關(guān)的應(yīng)用研究[1-2]。由于邊界條件、聲速剖面、介質(zhì)不均勻等因素存在顯著差異，深海和淺海的聲傳播特性有明顯差別。深海條件下，典型的聲速剖面如圖1所示，從上而下分別為混合層、溫躍層和等溫層，在溫躍層和等溫層之間存在聲速最小值，聲速最小值對應(yīng)的位置稱為深海聲道軸。

圖1 深海環(huán)境典型聲速剖面

深海傳播的主要特征是存在使聲線向上折射的聲速剖面，這種聲速剖面使遠程傳播得以實現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，深度大于2 000 m的所有海洋都是典型的深海環(huán)境[3]，該環(huán)境中主要有5種聲傳播模式：表面波導(dǎo)模式、會聚區(qū)模式、海底反射模式、可靠聲路徑模式、表面波導(dǎo)泄漏模式。圖2給出了海洋中不同聲傳播路徑。

圖2 海洋中各種聲路徑示意圖

拖曳線列陣聲吶因其陣纜長達幾百米，遠離拖曳平臺，具有較安靜的背景和較高的增益，已經(jīng)成為主要的海洋探測裝備[4]。隨著波束形成等技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，多基元水聽器陣列被越來越多地應(yīng)用，并且已經(jīng)開展了一系列應(yīng)用研究[5-6]，在理論和實際應(yīng)用上都有了進一步發(fā)展。本文重點分析在典型深海環(huán)境條件下各種聲傳播模式的聲場特征，綜述了不同聲場特征下相應(yīng)的探測方法，并討論這些方法的優(yōu)缺點，最后指出拖曳線列陣未來在深海中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展方向。

1 直達聲區(qū)及探測方法

深海環(huán)境中，直達路徑聲線在直達聲區(qū)起主要貢獻，直達聲線的作用距離較近（大約幾千米），到達角通常較小。對于低頻信號，由于海底反射損失較小，海底反射路徑聲線也會在直達聲區(qū)起作用，而且到達角通常較大。當海洋表面存在混合層時，由于混合層內(nèi)溫度相等，隨著深度增加，聲速剖面為微弱正梯度，海洋表面形成表面波導(dǎo)。如果聲源位于混合層中，一定條件下聲能將被限制在表面波導(dǎo)內(nèi)，可以實現(xiàn)遠距離傳播，此時表面波導(dǎo)下方存在聲影區(qū)，但聲影區(qū)內(nèi)并不是完全沒有聲能。波動效應(yīng)會使一些聲能進入聲影區(qū)。在實際情況中聲影區(qū)還會進入一些海面散射聲和海底反射聲。另外，表面波導(dǎo)不是穩(wěn)定的信道，存在強烈的時空變異性，因此當拖曳線列陣在近海面工作時，其性能將受表面波導(dǎo)特性的影響。直達聲路徑和表面波導(dǎo)聲路徑如圖3所示。

圖3 表面波導(dǎo)和直達聲傳播路徑

當利用拖曳線列陣對近距離目標進行探測時會接收到直達聲線和海底反射聲線，因此利用拖曳線列陣估計目標聲源的方位時會分裂成兩部分，容易被誤認為有兩個目標存在。Kevin D Heaney等人對菲律賓海試驗數(shù)據(jù)進行分析[7]，研究了界面散射效應(yīng)對海底反射聲能量的影響，發(fā)現(xiàn)直達聲區(qū)存在如圖4所示的方位分裂現(xiàn)象，但他們并沒有針對這一現(xiàn)象做進一步研究。

圖4 海底反射信號和直達信號方位估計圖

當目標位于直達聲區(qū)內(nèi)，且收發(fā)深度都較淺時，實際應(yīng)用中很難提取直達聲線和反射聲線之間的時延差，這也給直達聲區(qū)目標距離的估計帶來困難。吳俊楠等人對西北太平洋海域的實驗數(shù)據(jù)進行處理后也發(fā)現(xiàn)直達聲區(qū)存在方位分裂現(xiàn)象，利用射線模型對該現(xiàn)象進行了理論分析[8]。與此同時，他們利用方位分裂現(xiàn)象，通過兩個估計的方位角實現(xiàn)了被動測距。當水面只有一個目標時，文獻[8]中的方法可以實現(xiàn)水面目標被動測距。但是，當水面存在多個目標時，上述方法將會失效，因此還需要對近程波束同源目標辨識方法進行研究。

2 表面波導(dǎo)特性及探測方法

海洋混合層結(jié)構(gòu)對表面聲道中的聲傳播特性有很大的影響[9]，表面波導(dǎo)特性對聲吶系統(tǒng)也有影響，因此表面波導(dǎo)及其聲傳播特性受到了廣泛關(guān)注，從上世紀開始就開展了大量的研究。聲速剖面在表面波導(dǎo)內(nèi)為微弱正梯度，在一定的出射角和高頻條件下，聲線被限制在表面波導(dǎo)內(nèi)。但是對于低頻信號而言，由于聲波波長太長，海面波導(dǎo)不能截留聲能，圖3所示的聲傳播路徑圖將不再適用。深海環(huán)境中，表面波導(dǎo)泄漏如圖5所示。針對這一現(xiàn)象，F(xiàn)rank M Labianca給出了不同模態(tài)經(jīng)典截止頻率公式[10]，當頻率高于截止頻率時，聲能被表面波導(dǎo)截留，聲能衰減慢；當頻率低于截止頻率時，聲能泄漏到聲影區(qū)，聲能迅速衰減，但他給出的表達式只包含了表面波導(dǎo)的特征參數(shù)。Bucker H P對粗糙表面波導(dǎo)中的聲傳播進行了研究[11]。James Cummins研究了聲源頻率和接收深度對傳播損失的影響[12]。William F Baker對實驗數(shù)據(jù)進行分析，給出了聲傳播損失的經(jīng)驗公式[13]。

圖5 表面波導(dǎo)泄漏示意圖

DUAN等人對表面波導(dǎo)聲傳播的細節(jié)進行了研究[14-15]，基于勞埃德鏡干涉原理，他們推導(dǎo)了考慮聲源深度的截止頻率表達式，彌補了Frank M Labianca研究的不足，但是這一表達式只適用于近海面聲源。因此，他們將這一截止頻率公式與經(jīng)典截止頻率公式相結(jié)合，得到適用范圍更廣的截止頻率表達式。當聲源在近海面且頻率較高時，表面波導(dǎo)中可能存在低傳播損失區(qū)，他們給出了低傳播損失區(qū)的估計方法，可為被動聲吶的布放提供理論指導(dǎo)。另一方面，當表面波導(dǎo)中信號頻率在截止頻率以下時，頻率越低，從表面波導(dǎo)泄漏的能量越大，聲影區(qū)被照亮的程度越大，因此利用表面波導(dǎo)泄漏對聲影區(qū)目標進行探測時需要使用低頻信號。當聲源和接收陣均位于表面波導(dǎo)內(nèi)時，他們給出了基于簡正波理論的波達角公式，利用這一表達式可以粗略估計信號的到達角，通過到達角的先驗信息可以提高陣列的工作性能。肖鵬等人研究了隨距離變化的表面波導(dǎo)對聲場產(chǎn)生的影響[16]。Cheng Chen等人對近距離（8~15 km）表面波導(dǎo)泄漏能量和海底反射能量進行比較[17]，通過對比分析兩者的傳播損失，可以為聲影區(qū)目標探測提供指導(dǎo)。

表面波導(dǎo)泄漏是低頻信號在深海中傳播時的一種獨有現(xiàn)象。上述研究給出了這一現(xiàn)象的物理機理，研究表明深海表面波導(dǎo)聲場泄漏效應(yīng)可以用于探測聲影區(qū)目標，但目前利用表面波導(dǎo)泄漏探測聲影區(qū)目標的應(yīng)用研究較少。因此需進一步分析其機理，從而發(fā)展基于表面波導(dǎo)泄漏聲場特征的探測技術(shù)。

3 聲影區(qū)及探測方法

在會聚區(qū)之間反轉(zhuǎn)折射聲線無法到達的區(qū)域稱為聲影區(qū)[18]。在聲影區(qū)內(nèi)，只存在經(jīng)海面或海底反射的聲線，沒有直達聲線到達，Munk聲速剖面條件下的近海面聲源聲傳播路徑如圖6所示。盡管有部分聲線經(jīng)過反射或繞射進入聲影區(qū)，但這些聲線傳播損失通常較大，特別在海底特性對反射信號影響很大的條件下。

圖6 Munk聲速剖面條件下，近海面聲源聲傳播路徑

在深海環(huán)境中，如果聲線傳播過程只經(jīng)過一次海底反射，聲線的多途時延和到達角受海底底質(zhì)影響相對較小，同時這些聲線在聲源處的出射角一般較大，水體中的聲速剖面起伏對其影響也較弱，所以一次海底反射的多途時延和到達角較為穩(wěn)定。綜合利用聲影區(qū)內(nèi)信號的多途時延、信號到達角、干涉條紋特征等信息可以進行目標探測和定位。

聲影區(qū)內(nèi)，經(jīng)過一次海底反射的聲線多途時延和到達角較為穩(wěn)定，采用自相關(guān)等方法就可以估計得到多途時延，另外通過拖曳線列陣可以估計多途信號的到達角，最終利用射線反傳等方法可以實現(xiàn)目標定位。基于多途時延和到達角的目標探測方法已被廣泛地研究和應(yīng)用[19-20]，特別是在海洋生物跟蹤方面[21-22]。

由于拖曳線列陣的軸對稱性，利用常規(guī)波束形成對偏離拖曳線列陣正橫方向的聲源進行方位估計時會出現(xiàn)偏差。針對方位估計偏差現(xiàn)象，吳俊楠等人從簡正波理論和射線理論角度進行了分析[2,23]。從簡正波理論角度來看，不同距離下有貢獻的簡正波不同，與其相對應(yīng)的相速度也不同，選取參考聲速不當會導(dǎo)致方位估計存在誤差。從射線理論來看，海底反射聲線到達不同距離處拖曳線列陣的俯仰角不同，導(dǎo)致方位估計出現(xiàn)誤差。根據(jù)上述分析，他們提出了兩種修正方位估計誤差的方法。在距離已知的條件下，用不同距離處相速度作為參考聲速做常規(guī)波束形成，得到的角度就是目標的真實方位；在距離未知的條件下，通過機動的方式改變拖曳陣軸向方向，畫出機動前后估計方位隨參考聲速變化的曲線，兩條曲線交叉的位置就是目標的真實方位。但現(xiàn)實中距離往往是未知的，并且機動過程中拖曳線列陣的陣形會發(fā)生改變，因此這兩種方法并不是很實用，有必要對此做進一步研究提出更實用的方法。

在海洋波導(dǎo)中，聲場強度在距離-頻率二維平面上一般具有穩(wěn)健的干涉結(jié)構(gòu)，干涉結(jié)構(gòu)反映了目標聲源的幾何特征，可以利用這一特征估計聲源位置。在淺海環(huán)境中，干涉結(jié)構(gòu)條紋的斜率基本保持不變，并用波導(dǎo)不變量來表示，波導(dǎo)不變量大約為1，這一特性在淺海聲源被動定位中已得到廣泛應(yīng)用[24-25]。但是在深海環(huán)境中，干涉結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜多變，波導(dǎo)不變量不僅與聲源深度、接收深度有關(guān)，還隨距離和頻率變化而變化。唐帥對典型深海聲場干涉條紋特征進行了研究[26]，理論和仿真結(jié)果表明，深海近距離沒有明顯的條紋，在會聚區(qū)和聲影區(qū)都存在干涉條紋，并且這兩區(qū)域內(nèi)的干涉條紋樣式相反。Rémi Emmetière等人基于簡正波理論和射線理論給出了典型深海環(huán)境下波導(dǎo)不變量的近似理論表達式[27]，通過該表達式可以預(yù)測不同區(qū)域波導(dǎo)不變量的分布。翁晉寶等人分析了典型深海條件下直達聲區(qū)和影區(qū)聲場頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)[28]，研究發(fā)現(xiàn)聲強隨頻率有兩種干涉周期，干涉周期隨著收發(fā)深度的增加而減小，隨著收發(fā)距離增加而增大。吳俊楠等人根據(jù)聲場干涉結(jié)構(gòu)[29]，分析發(fā)現(xiàn)反射聲場強度在頻域呈現(xiàn)周期性，并且頻域間隔和多途時延差的倒數(shù)相對應(yīng)，利用多途時延與距離之間的關(guān)系，可以實現(xiàn)水面聲源的被動測距。翁晉寶等人利用單水聽器記錄聲場干涉結(jié)構(gòu)[30]，通過實驗也證明了影區(qū)干涉結(jié)構(gòu)用于被動測距的有效性。

目前，針對聲影區(qū)目標探測方法已經(jīng)開展了大量的研究，但是仍然存在一些問題需要解決。比如，當利用拖線陣對聲源目標進行方位估計時會存在方位估計偏差問題，目前提出的方位估計偏差修正方法還不夠?qū)嵱茫虼诵柽M一步研究聲傳播理論，從而對現(xiàn)有的方位估計方法進行改進。另外，隨著減震降噪技術(shù)的發(fā)展，潛艇聲源級顯著下降。與此同時，隱身潛艇表面覆有消聲瓦，很大程度地減小了中高頻主動聲吶的探測距離，因此需要進一步發(fā)展基于海底反射聲特性的低頻主動探測技術(shù)，通過主被動結(jié)合的探測方法減小探測盲區(qū)。

4 會聚區(qū)及探測方法

會聚區(qū)是指在海面附近形成的高聲強焦散區(qū)域。當聲源位于海面附近或接近海底時，近海面會形成聲強很高的會聚區(qū)。會聚區(qū)的傳播損失比球面擴展損失小很多，利用會聚區(qū)在較遠距離上就可以發(fā)現(xiàn)水下目標，因此會聚區(qū)參數(shù)特征受到了廣泛的關(guān)注[31-34]。另外，拖曳線列陣接收到的遠場信號會呈現(xiàn)一定的多途結(jié)構(gòu)，所以利用會聚區(qū)內(nèi)信號相關(guān)性、干涉條紋特征、目標強度特性等可以實現(xiàn)遠距離目標探測和定位。Arthur B Baggeroer等人在菲律賓海利用FORA拖曳線列陣進行實驗[35]，研究發(fā)現(xiàn)會聚區(qū)內(nèi)信號具有很強的時間相關(guān)性，這一特征可以用于目標的探測。楊剛等人對深海會聚區(qū)目標相對聲強特性進行分析[36]，通過仿真發(fā)現(xiàn)接收深度和目標深度相同時相對聲強會出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象可以用于目標深度的判定。郭李等人提出一種基于深海會聚區(qū)聲強匹配處理的深海聲源定位方法[37]，但環(huán)境失配對該方法的影響比較大。

在會聚區(qū)內(nèi)，干涉條紋主要由波導(dǎo)簡正波干涉形成[38]，其對應(yīng)的波導(dǎo)不變量值為負。唐帥、崔寶龍等人對深海會聚區(qū)干涉條紋的分析表明，干涉條紋會隨目標距離遠近發(fā)生變化，可以利用這一現(xiàn)象判斷目標是否位于會聚區(qū)內(nèi)[39-40]。如果目標位于會聚區(qū)內(nèi)，可以根據(jù)會聚區(qū)干涉條紋的變化判斷會聚目標運動態(tài)勢。

拖曳線列陣位于聲影區(qū)內(nèi)時，利用常規(guī)波束形成估計目標方位會存在方位估計偏差。同樣地，拖曳線列陣在會聚區(qū)內(nèi)對遠場聲源進行方位估計時也會存在偏差。李輝、楊坤德等人對這一現(xiàn)象進行了研究和分析，發(fā)現(xiàn)拖曳線列陣的方位估計偏差及傳播損失隨距離呈現(xiàn)周期性變化[41-42]。從簡正波理論和射線理論角度出發(fā)，他們認為這一現(xiàn)象不僅與不同距離處對聲場起主要作用的簡正波號數(shù)不同有關(guān)，而且與聲線分布以及聲線掠射角也有關(guān)系。他們研究的結(jié)果有助于目標方位的準確估計，也可以通過方位估計偏差與會聚區(qū)的關(guān)系輔助判別目標進出會聚區(qū)。

利用會聚區(qū)雖然能實現(xiàn)遠距離目標探測，但是在現(xiàn)實中會存在會聚區(qū)模糊問題。目標位于不同會聚區(qū)時，接收到的信號有很強的相似性，利用傳統(tǒng)匹配場定位目標時，非目標所在會聚區(qū)會出現(xiàn)高旁瓣導(dǎo)致會聚區(qū)模糊。為了解決這一問題，王良等人提出了基于壓縮感知理論的會聚區(qū)判別方法[43]，通過仿真和海試數(shù)據(jù)證明該方法具有高分辨性能，并且能有效抑制會聚區(qū)判別中出現(xiàn)的旁瓣模糊問題。在低信噪比和聲速失配條件下，該方法仍能準確判斷出目標位于第一會聚區(qū)，但目標位于其它會聚區(qū)時該方法失效。

由于聚焦增益的原因，會聚區(qū)內(nèi)傳播損失小，適合用于遠程目標探測，國內(nèi)外對會聚區(qū)聲場特性及探測方法已經(jīng)開展了大量研究，但對目標進行探測時存在會聚區(qū)號模糊的問題仍然沒有解決。因此需要對會聚區(qū)聲場特征進一步研究，從而探討會聚區(qū)號的可分性以及有效的會聚區(qū)號辨識技術(shù)。

5 總結(jié)與展望

由于深海特殊的聲速分布和波導(dǎo)大尺度特點，深海聲傳播呈現(xiàn)傳播模式分區(qū)的特性，本文分析了深海直達聲區(qū)、表面波導(dǎo)、聲影區(qū)以及會聚區(qū)的聲場特征，并對基于這些聲場特征的拖曳線列陣被動探測方法進行了介紹和梳理，筆者認為拖曳線列陣深海探測技術(shù)未來主要發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾點：

1、針對近程目標波束分裂和方位估計偏差問題，需發(fā)展基于拖曳線列陣的中近程波束同源目標辨識和方位精確估計技術(shù)；

2、目前研究表明深海表面波導(dǎo)聲場泄漏效應(yīng)可以用于探測聲影區(qū)目標，但目前公開發(fā)表的應(yīng)用研究較少，因此需進一步分析其機理，發(fā)展基于表面波導(dǎo)泄漏聲場特征的探測技術(shù)；

3、針對聲影區(qū)目標探測盲區(qū)大的問題，需發(fā)展基于海底反射聲特征的主動探測技術(shù)，以減小探測盲區(qū)；

4、針對會聚區(qū)目標檢測與辨識問題，需發(fā)展快速實用的會聚區(qū)目標辨識技術(shù)，研究會聚區(qū)號的可分性以及有效的會聚區(qū)號辨識技術(shù)；

5、為發(fā)揮拖曳線列陣深海探測最大效能，需發(fā)展深海探測效能評估技術(shù)，從而推薦拖曳線列陣深海探測的最優(yōu)工作深度和信號處理參數(shù)；

6、隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年成功應(yīng)用的深度學(xué)習等技術(shù)[44-45]，探討其在深海被動目標探測方面的應(yīng)用也是未來的發(fā)展方向。