深海聲源深度估計(jì)是水聲研究的熱點(diǎn)問題之一。傳統(tǒng)深度估計(jì)方法有匹配場方法、基于多途到達(dá)時(shí)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(gè)：海洋環(huán)境參數(shù)、垂直線列陣、對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的長時(shí)間跟蹤、寬帶聲場或兩種以上多途到達(dá)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)聲源深度估計(jì)的聚焦。

近日，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)寬帶聲源深度估計(jì)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)的長時(shí)間跟蹤，在單快拍情況下僅利用直達(dá)波和海面反射波的寬帶干涉特征即可實(shí)現(xiàn)聲源深度估計(jì)。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(dá)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(biāo)到達(dá)角和聲源深度三個(gè)維度上呈現(xiàn)強(qiáng)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(diǎn)振速信號(hào)（圖2b）獲得垂直聲能流和水平聲能流，由其比值估計(jì)出目標(biāo)到達(dá)角。對接收聲強(qiáng)譜（圖2c）進(jìn)行傅里葉變換或MUSIC譜分析得到聲強(qiáng)的頻率干涉周期譜，由譜峰值獲得直達(dá)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(biāo)到達(dá)角的關(guān)系估計(jì)出源深（圖2f）。

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

圖2 收發(fā)距離為4.21 km的信號(hào)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(diǎn)振速信號(hào)波形；（c）聲強(qiáng)頻譜；（d）-（f）為MUSIC處理后的聲強(qiáng)頻譜結(jié)果，對應(yīng)X軸分別為頻率干涉周期、到達(dá)時(shí)延差和聲源深度

研究利用2018年4月海試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，共投放14個(gè)深度為200 m的爆炸聲源，信號(hào)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(hào)處理頻段為20~80Hz。實(shí)驗(yàn)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(jì)的目標(biāo)到達(dá)角，與仿真計(jì)算的直達(dá)波和海面反射波到達(dá)角平均值基本一致（圖3a），估計(jì)的聲源深度與爆炸聲源標(biāo)稱深度相吻合（圖3b），驗(yàn)證了方法的有效性。

圖3 目標(biāo)到達(dá)角（a）和深度估計(jì)結(jié)果（b）

與圖1所示的等速度模型不同的是，在真實(shí)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(dá)角，聲速隨深度的變化對調(diào)頻周期影響不大；而對于較遠(yuǎn)的聲源，射線彎曲的影響不可忽略，此時(shí)等速度模型不再適用。研究人員將據(jù)此做進(jìn)一步研究工作，如修正水體分層的頻率干擾周期，以提高遠(yuǎn)程水源深度估算的精度。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

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