深海聲源深度估計是水聲研究的熱點問題之一。傳統(tǒng)深度估計方法有匹配場方法、基于多途到達時延或干涉條紋的定深方法，這些方法通常至少需要以下條件中的兩個：海洋環(huán)境參數(shù)、垂直線列陣、對運動目標的長時間跟蹤、寬帶聲場或兩種以上多途到達結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)聲源深度估計的聚焦。

近日，中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室科研人員提出一種在深海大深度近水平距離接收環(huán)境中基于單矢量水聽器的被動寬帶聲源深度估計方法，該方法不需要垂直線列陣、精確的海洋環(huán)境參數(shù)信息及對運動目標的長時間跟蹤，在單快拍情況下僅利用直達波和海面反射波的寬帶干涉特征即可實現(xiàn)聲源深度估計。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在The Journal of the Acoustical Society of America Express Letter上。

在深海大深度近水平距離下，忽略海水分層及聲速剖面變化引起的聲線彎曲，直達波和海面反射波干涉可看作Lloyd鏡干涉（圖1），接收聲場在頻率、目標到達角和聲源深度三個維度上呈現(xiàn)強弱相間的周期性干涉調(diào)制特征。在圖2a所示的收發(fā)態(tài)勢下，研究由單矢量水聽器接收的聲壓和三分量質(zhì)點振速信號（圖2b）獲得垂直聲能流和水平聲能流，由其比值估計出目標到達角。對接收聲強譜（圖2c）進行傅里葉變換或MUSIC譜分析得到聲強的頻率干涉周期譜，由譜峰值獲得直達波和海面反射波的頻率干涉周期（圖2d）。利用聲源深度與頻率干涉周期及目標到達角的關(guān)系估計出源深（圖2f）。

圖1 深海大深度接收環(huán)境下直達波和海面反射波到達結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 收發(fā)距離為4.21 km的信號處理結(jié)果。（a）海水聲速剖面及收發(fā)態(tài)勢圖；（b）聲壓和質(zhì)點振速信號波形；（c）聲強頻譜；（d）-（f）為MUSIC處理后的聲強頻譜結(jié)果，對應X軸分別為頻率干涉周期、到達時延差和聲源深度

研究利用2018年4月海試實驗數(shù)據(jù)對所提方法進行驗證。實驗中，共投放14個深度為200 m的爆炸聲源，信號由布放于海底的海底地震儀（OBS）接收，收發(fā)距離在0.5 km~5.5 km之間，信號處理頻段為20~80Hz。實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，由垂直聲能流和水平聲能流比值估計的目標到達角，與仿真計算的直達波和海面反射波到達角平均值基本一致（圖3a），估計的聲源深度與爆炸聲源標稱深度相吻合（圖3b），驗證了方法的有效性。

圖3 目標到達角（a）和深度估計結(jié)果（b）

與圖1所示的等速度模型不同的是，在真實環(huán)境中聲速隨深度不同而變化。對于短距離內(nèi)的聲源，由于具有較大的到達角，聲速隨深度的變化對調(diào)頻周期影響不大；而對于較遠的聲源，射線彎曲的影響不可忽略，此時等速度模型不再適用。研究人員將據(jù)此做進一步研究工作，如修正水體分層的頻率干擾周期，以提高遠程水源深度估算的精度。

研究工作得到國家自然科學基金項目的資助。

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