翁晉寶,楊燕明

(1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所 海洋聲學(xué)與遙感實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

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深海海面目標(biāo)單水聽器被動(dòng)測(cè)距方法與驗(yàn)證

翁晉寶1,楊燕明1*

(1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所 海洋聲學(xué)與遙感實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

基于射線理論分析了在深海情況下海面聲源產(chǎn)生聲場(chǎng)的頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)，給出了影區(qū)內(nèi)聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)的近似理論表達(dá)式，分析得到影區(qū)內(nèi)聲場(chǎng)頻域干涉周期隨收發(fā)距離的增加而增大、隨著接收水聽器深度的增加而減小。因此由單水聽器記錄的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)聲源距離估計(jì)。在南海深海實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到海面寬帶噪聲源在聲場(chǎng)影區(qū)形成的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)的處理結(jié)果驗(yàn)證了深海聲場(chǎng)影區(qū)干涉結(jié)構(gòu)用于被動(dòng)聲源距離估計(jì)的有效性。與傳統(tǒng)的匹配場(chǎng)被動(dòng)定位方法相比，該方法不需要已知海底聲學(xué)參數(shù)和大規(guī)模的拷貝場(chǎng)計(jì)算。

海面目標(biāo)；深海聲場(chǎng)影區(qū)；聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)；被動(dòng)測(cè)距

1 引言

傳統(tǒng)的水下被動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)一般需要多個(gè)基元對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位，例如三子陣法[1]和球面內(nèi)插法[2]，這類方法利用聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間或相位進(jìn)行測(cè)距，對(duì)基陣布放精度要求高，工作頻率高，測(cè)距距離近，精度低。近些年來，定位技術(shù)的發(fā)展方向主要有兩大類，匹配場(chǎng)定位技術(shù)[3]和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析[4]。匹配場(chǎng)定位技術(shù)利用已知的海洋環(huán)境參數(shù)，采用適當(dāng)?shù)穆晥?chǎng)模型計(jì)算模擬的接收信號(hào)，然后與實(shí)際測(cè)量得到的聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)“匹配”，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)聲源定位。這種方法需要解決的主要是環(huán)境、聲場(chǎng)模型和基陣系統(tǒng)失配等問題，在復(fù)雜海洋環(huán)境中往往受限。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析通過一段時(shí)間數(shù)據(jù)的信息綜合，利用如方位、頻率和速度等信息來確定目標(biāo)位置，然而該方法要求觀測(cè)平臺(tái)必須機(jī)動(dòng)，而且收斂時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)距精度也較低。近年來隨著水聲技術(shù)的發(fā)展，利用波導(dǎo)不變量進(jìn)行目標(biāo)定位受到了國(guó)內(nèi)外研究人員[5—8]的關(guān)注，該類算法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境具有更好的寬容性。

在淺海波導(dǎo)中聲波以簡(jiǎn)正波疊加的形式傳播，不同號(hào)簡(jiǎn)正波發(fā)生干涉，使聲場(chǎng)具有穩(wěn)定的頻率-空間干涉結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為聲強(qiáng)的頻率-距離圖上出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。Chuprov[9]用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式定義了波導(dǎo)不變量：

(1)

用于描述干涉條紋斜率與距離和頻率的關(guān)系。波導(dǎo)不變量從一個(gè)全新的角度揭示了聲波在海洋中傳播的結(jié)構(gòu)特征，在水聲定位中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[5—8]描述了利用單陣元進(jìn)行淺海目標(biāo)的波導(dǎo)不變量測(cè)距方法。Zhao等[10]基于波導(dǎo)不變量，推導(dǎo)出了聲源距離與聲場(chǎng)干涉譜頻域周期的關(guān)系，利用引導(dǎo)源可實(shí)現(xiàn)單個(gè)水聽器寬帶運(yùn)動(dòng)聲源距離估計(jì)。戚聿波等[11]基于淺海簡(jiǎn)正波水平波數(shù)差與波導(dǎo)不變量之間的關(guān)系，提出了一種適用于水平不變淺海聲波導(dǎo)中接收信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的頻域卷繞變換算子，可用于被動(dòng)聲源距離估計(jì)。任云等[12]基于聲強(qiáng)的距離-頻率干涉結(jié)構(gòu)，利用對(duì)水平陣不同陣元信號(hào)的聲強(qiáng)譜進(jìn)行頻域補(bǔ)償?shù)姆椒ü烙?jì)波導(dǎo)不變量和距離，在波導(dǎo)不變量和距離其中一項(xiàng)已知的情況下，可以通過該方法估計(jì)另外一項(xiàng)。Thode等[13]將波導(dǎo)不變量原理與匹配場(chǎng)處理結(jié)合，一定程度上提高了匹配場(chǎng)定位的性能。

對(duì)于深海低頻聲場(chǎng)，根據(jù)射線理論由于經(jīng)多次海底反射的聲線幅度較小可忽略，實(shí)際上對(duì)于聲場(chǎng)影響較大的聲線數(shù)目不多，便于分析深海聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)。2004年吳國(guó)清[14]分析了淺海近距離(數(shù)倍海深)范圍內(nèi)，直達(dá)聲、海面反射聲和海底反射聲互相干涉引起的譜干涉現(xiàn)象，利用聲線直線近似和聲速均勻近似幾何推導(dǎo)了干涉譜與聲源深度、距離的關(guān)系，從而根據(jù)實(shí)測(cè)干涉譜反推聲源深度和距離，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)淺海水平距離500 m范圍內(nèi)水下目標(biāo)被動(dòng)測(cè)距。翁晉寶等[15]基于射線理論分析當(dāng)聲源與接收水聽器位于深度較淺的表面附近時(shí)聲源激發(fā)的典型深海聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)，在第一影區(qū)內(nèi)由固定的4條海底一次反射聲線干涉疊加，在這種情況下聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)在固定距離下聲場(chǎng)的頻率干涉周期固定，因此聲場(chǎng)的干涉條紋在頻率域上等間隔分布，在深海影區(qū)目標(biāo)定位中具有應(yīng)用前景。此外，翁晉寶等[16]基于深海近距離聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)，提出了一種當(dāng)聲源與接收水聽器分別位于海面與海底附近時(shí)匹配聲場(chǎng)干涉周期反演深海沉積層聲速與厚度的方法。

針對(duì)深海海洋環(huán)境，本文首先基于射線理論分析了海面聲源產(chǎn)生聲場(chǎng)的頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)，得到影區(qū)內(nèi)干涉結(jié)構(gòu)的近似理論表達(dá)式，給出聲強(qiáng)頻域干涉周期與收發(fā)距離的變化關(guān)系，研究深海海洋環(huán)境中海面聲源距離被動(dòng)估計(jì)問題，并且利用海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 深海海面聲源聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)分析

在典型深海海洋環(huán)境下，當(dāng)聲源與接收水聽器位于海水表層時(shí)，根據(jù)接收水聽器與聲源的水平距離可以將典型深海聲場(chǎng)在空間上劃分為直達(dá)聲作用區(qū)、影區(qū)及會(huì)聚區(qū)，直達(dá)聲作用區(qū)指聲線未經(jīng)海底反射或未經(jīng)海底附近反轉(zhuǎn)的作用區(qū)域，影區(qū)指直達(dá)聲線與反轉(zhuǎn)聲線無法到達(dá)的區(qū)域，會(huì)聚區(qū)指反轉(zhuǎn)聲線形成的高強(qiáng)度焦散的區(qū)域。典型5 000 m深海聲場(chǎng)聲線如圖1所示，其中聲源深度為100 m、聲速剖面如圖2所示。

圖1 聲場(chǎng)區(qū)域的劃分Fig.1 The division of sound field region

圖2 聲速剖面Fig.2 The sound velocity profile

圖3 對(duì)影區(qū)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的聲線Fig.3 The main contributing sound rays to sound field of the shadow zone

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，在影區(qū)內(nèi)，假設(shè)多次海底反射聲線由于能量衰減大而對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，第一影區(qū)的聲場(chǎng)僅考慮一次海底反射聲線的貢獻(xiàn)，在所示的典型深海條件下，當(dāng)聲源與接收水聽器位于海水表層時(shí)，如圖3所示，一次海底反射聲線包含4條聲線路徑：聲源—海底—接收器、聲源—海面—海底—接收器、聲源—海底—海面—接收器和聲源—海面—海底—海面—接收器，則接收水聽器接收到的聲壓可以近似為：

(2)

式中，S(f)表示聲源的譜級(jí)，W表示聲源單位立體角內(nèi)的輻射聲功率，F(xiàn)、R、Vb和t分別表示聲線的聚焦因子、斜距、海底聲壓反射系數(shù)和傳播時(shí)間，變量的下標(biāo)依次代表海底反射次數(shù)和聲線的序號(hào)。

圖4 聲源掠射角Fig.4 The source angle

當(dāng)聲源位于海水表層時(shí)，聲線1與聲線2的軌跡基本一致，如圖4所示，聲源掠射角基本一致(不考慮正負(fù))即α11≈α12，聚焦因子F、斜距R和海底聲壓反射系數(shù)Vb也基本一致，令Δt1=t12-t11，則式(2)中聲線1與聲線2的相干疊加部分可以近似表示為：

(3)

α11與α12差別較小，Δt1可以近似表示為[15]：

(4)

由于聲源位于海水表層則聲線3與聲線4的軌跡也基本一致，聲線的聲源掠射角基本一致即α13≈α14，聚焦因子F、斜距R和海底聲壓反射系數(shù)Vb也基本一致，則式(2)中聲線3與聲線4的相干疊加部分可以近似表示為：

(5)

α13與α14差別較小，t14-t13可以近似表示為[15]：

(6)

(7)

令Δt2=t13-t11，則式(2)中4條聲線相干疊加部分可以近似為：

(8)

由于接收水聽器位于海水表層時(shí)，聲線1與聲線3的軌跡相近，α11與α13差別較小，則Δt2可以近似表示為[15]：

(9)

綜上所述接收水聽器接收到的聲壓可以近似為：

×(1-ei2πfΔt1)(1-ei2πfΔt2)，

(10)

接收到的聲強(qiáng)可以近似為：

(11)

其中，

Δt1=t12-t11，

(12)

Δt2=t13-t11，

(13)

即聲強(qiáng)隨頻率具有兩個(gè)干涉周期，當(dāng)頻率f滿足

f=m/Δt1(m=1,2,3,…)，

(14)

或者

f=n/Δt2(n=1,2,3,…)，

(15)

時(shí)聲強(qiáng)為極小值，在聲強(qiáng)頻率-距離圖上表現(xiàn)為干涉相消的條紋。

當(dāng)聲源為船舶等海面目標(biāo)時(shí)，由于船舶吃水深度一般僅為幾米，即聲源深度僅有幾米，則聲源—海底—接收器和聲源—海面—海底—接收器的聲線傳播時(shí)間差Δt1極小，即頻域干涉周期1/Δt1極大，約數(shù)百赫茲。但是，考慮到船舶噪聲中高頻(大于1 kHz)部分的譜級(jí)小于低頻(小于1 kHz)部分的譜級(jí)，和海洋波導(dǎo)中高頻聲傳播的衰減比低頻聲傳播的衰減大的特點(diǎn)，以及海洋中本身存在的環(huán)境噪聲，在實(shí)際深海影區(qū)接收信號(hào)中僅在數(shù)百赫茲的低頻部分可以觀測(cè)到船舶噪聲形成的干涉條紋。因此，對(duì)于船舶等海面噪聲源，利用單水聽器難以在影區(qū)內(nèi)觀測(cè)到式(14)代表的第一種干涉結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際應(yīng)用中，接收水聽器的深度往往為幾十米或者數(shù)百米，則聲源—海底—接收器和聲源—海底—海面—接收器的聲線傳播時(shí)間差Δt2較大，即頻域干涉周期1/Δt2較小，約幾十赫茲或幾赫茲，便于利用單水聽器在影區(qū)內(nèi)低頻段觀測(cè)到式(15)代表的第二種干涉結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，在固定距離的情況下，Δt2隨接收深度z增加而增大，頻域干涉周期1/Δt2隨接收深度z增加而減??；在固定接收深度的情況下，Δt2隨距離增加而減小，頻域干涉周期1/Δt2隨距離增加而增大。

為了驗(yàn)證上述理論分析，首先給出由BELLHOP[17]程序計(jì)算得到的海面目標(biāo)產(chǎn)生的典型深海聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)。海水深度為5 000 m，聲源深度為5 m，接收深度為250 m，海水聲速如圖2所示，海底聲速為1 600 m/s，海底密度為1.8 g/cm3，海底吸聲系數(shù)為0.8 dB/λ，聲源帶寬為50～250 Hz。圖5給出了收發(fā)距離在4～55 km內(nèi)的聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)，圖6給出了收發(fā)距離在4～55 km內(nèi)的1/Δt2，1/Δt2在第一影區(qū)內(nèi)隨著距離的增加而單調(diào)增大，其中聲線傳播時(shí)間t11和t13由BELLHOP程序計(jì)算得到，圖7給出了根據(jù)式(15)預(yù)測(cè)的聲場(chǎng)干涉相消條紋，圖8給出了將圖7預(yù)測(cè)的干涉相消條紋與圖5仿真得到的聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)，從圖8可以看出兩者完全一致，即式(15)可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)影區(qū)內(nèi)干涉相消條紋。圖9給出了在同樣的條件下當(dāng)接收深度為125 m時(shí)的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)，將圖9和圖5進(jìn)行對(duì)比，可以看出聲場(chǎng)頻域干涉周期隨接收深度的增加而減小。

圖5 深海聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)(接收深度250 m)Fig.5 The sound field frequency-range interference patterns in deep water when the receiver located at a depth of 250 m

圖6 聲場(chǎng)頻域干涉周期1/Δt2Fig.6 The sound field interference cycle in the frequency domain

圖7 根據(jù)式(15)預(yù)測(cè)的聲場(chǎng)干涉相消條紋Fig.7 The sound field stripes of interference cancellation cycle predicted by equation (15)

圖9 深海聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)(接收深度125 m)Fig.9 The sound field frequency-range interference pat-terns in deep water when the receiver located at a depth of 125 m

3 單水聽器被動(dòng)聲源距離估計(jì)方法

通過上面的理論分析與仿真結(jié)果可知，影區(qū)內(nèi)海面目標(biāo)形成聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)的頻域干涉周期隨距離的增加而單調(diào)增大。因此在已知接收水聽器深度、海底地形和海水聲速剖面的前提下，通過仿真計(jì)算得到如圖6所示的頻域干涉周期隨水平距離的變化情況，之后只要能獲得影區(qū)內(nèi)海面目標(biāo)形成聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻域干涉周期，通過兩者之間的匹配便可以估計(jì)海面目標(biāo)與接收水聽器的水平距離。在實(shí)際情況中，影區(qū)內(nèi)的傳播損失隨著影區(qū)號(hào)數(shù)的增加而不斷增大，一般海面目標(biāo)形成的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)由于目標(biāo)聲源級(jí)的限制往往僅在第一影區(qū)內(nèi)能被觀測(cè)到。具體實(shí)施步驟如下：

(1)海面目標(biāo)形成聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)的判斷

將接收水聽器布放于海水表層(例如幾十米或數(shù)百米)持續(xù)接收記錄寬帶噪聲信號(hào)，對(duì)寬帶噪聲信號(hào)進(jìn)行連續(xù)時(shí)頻分析，觀察時(shí)頻譜圖中數(shù)百赫茲內(nèi)的低頻部分，如果存在明顯的單一的明暗相間的條紋結(jié)構(gòu)，且相鄰暗條紋的頻域間隔不隨頻率變化，則判斷在第一影區(qū)內(nèi)存在海面目標(biāo)。

如果在同一頻帶內(nèi)存在兩種明暗相間的條紋結(jié)構(gòu)疊加在一起，且兩種條紋結(jié)構(gòu)的頻域間隔都不隨頻率變化，則可能是第一影區(qū)內(nèi)存在水下目標(biāo)，或者第一影區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)海面目標(biāo)，難以進(jìn)行判斷，暫不討論。

(2)頻域干涉周期的提取

當(dāng)判斷在第一影區(qū)內(nèi)存在海面目標(biāo)后，時(shí)頻譜圖上存在著明顯的單一的明暗相間的條紋結(jié)構(gòu)，且相鄰暗條紋的頻域間隔不隨頻率變化，因此可以在每個(gè)時(shí)刻提取包含N個(gè)亮條紋的頻域間隔ΔfN(t)，之后通過Δf=ΔfN/N得到每個(gè)時(shí)刻的頻域干涉周期Δf(t)，即通過平均計(jì)算減少誤差。

(3)根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)仿真計(jì)算頻域干涉周期

根據(jù)布放海域采集的海水聲速剖面、海深和接收深度，假定聲源深度為5 m，利用BELLHOP程序計(jì)算得到第一影區(qū)內(nèi)不同距離處聲源-海底-接收器聲線到達(dá)時(shí)間t11(x)和聲源—海底—海面—接收器聲線到達(dá)時(shí)間t13(x)，之后根據(jù)Δf2=1/(t13-t11)計(jì)算第二種頻域干涉周期Δf2(x)隨水平距離的變化情況。

(4)匹配頻域干涉周期估計(jì)聲源距離

將提取得到的每個(gè)時(shí)刻的頻域干涉周期Δf(t)，與根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)仿真計(jì)算得到的每個(gè)距離的第二種頻域干涉周期Δf2(x)進(jìn)行匹配，得到海面目標(biāo)與接收水聽器的水平距離x(t)隨時(shí)間的變化情況。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于在南海海域進(jìn)行的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，由錨定于海底的一條等間距32陣元垂直線列陣潛標(biāo)記錄噪聲信號(hào)，垂直陣列陣元間隔30 m、覆蓋深度為188～1 118 m，由固定于附近實(shí)驗(yàn)船上的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System, 簡(jiǎn)稱AIS)記錄經(jīng)過接收點(diǎn)附近的海面船只信息。圖10給出了實(shí)驗(yàn)海域聲速剖面，水深3 495 m。

圖10 實(shí)驗(yàn)海域聲速剖面Fig.10 The sound velocity profile

圖11、圖12和圖13分別給出了陣元1、5和10接收的當(dāng)天20:00-20:10記錄的噪聲信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果，3個(gè)陣元所處深度依次為188 m、308 m和458 m，從這3張圖中可以看出該時(shí)間段內(nèi)聲場(chǎng)具有兩種干涉條紋，在70～160 Hz頻段內(nèi)干涉條紋的頻域干涉周期隨著時(shí)間增大逐漸變小，說明70～160 Hz頻段內(nèi)干涉條紋對(duì)應(yīng)的是接近接收點(diǎn)的目標(biāo)，在160～230 Hz頻段內(nèi)干涉條紋的頻域干涉周期隨著時(shí)間增大逐漸變大，說明160～230 Hz頻段內(nèi)干涉條紋對(duì)應(yīng)的是遠(yuǎn)離接收點(diǎn)的目標(biāo)。其中，在70～160 Hz頻段內(nèi)，第1陣元和第5陣元的干涉條紋較為清晰；在160～230 Hz頻段內(nèi)，第5陣元和第10陣元的干涉條紋較為清晰。另外，圖11～13中干涉條紋的頻域干涉周期明顯隨深度的增加而減小，與以上理論分析是一致的。

圖11 第1陣元(188 m)接收噪聲信號(hào)的時(shí)頻分析Fig.11 The time-frequency analysis of the received noise signal in channel 1(188 m)

圖12 第5陣元(308 m)接收噪聲信號(hào)的時(shí)頻分析Fig.12 The time-frequency analysis of the received noise signal in channel 5 (308 m)

圖13 第10陣元(458 m)接收噪聲信號(hào)的時(shí)頻分析Fig.13 The time-frequency analysis of the received noise signal in channel 10 (458 m)

圖12第5陣元接收噪聲信號(hào)的時(shí)頻分析中，在70～160 Hz頻段和160～230 Hz頻段都存在明顯的單一的明暗相間的條紋結(jié)構(gòu)，且相鄰暗條紋的頻域間隔不隨頻率變化，考慮到接收水聽器深度為308 m，可以判斷該條紋結(jié)構(gòu)由聲源—海底—接收器、聲源—海底—海面—接收器干涉形成。圖14給出了由圖12中70～160 Hz頻段和160～230 Hz頻段分別直接提取的4條暗條紋，由于該條紋結(jié)構(gòu)為明暗相間的干涉條紋，單條亮條紋的寬度即為兩條相鄰暗條紋的頻域間隔，其中70～160 Hz頻段的兩條暗條紋中間間隔9條亮條紋、160～230 Hz頻段的兩條暗條紋中間間隔5條亮條紋，因此可以通過平均計(jì)算得到相鄰暗條紋的頻域間隔，即頻域干涉周期，圖15給出了根據(jù)圖14計(jì)算的兩個(gè)頻段內(nèi)干涉條紋的頻域干涉周期，其中70～160 Hz頻段干涉周期在9～592 s內(nèi)從6.0 Hz減小到4.7 Hz、160～230 Hz頻段干涉周期在9～592 s內(nèi)從8.6 Hz增大到9.4 Hz。

圖14 第5陣元接收噪聲信號(hào)的干涉條紋Fig.14 The interference stripes of the received noise signal in channel 5

圖15 第5陣元接收噪聲信號(hào)的頻域干涉周期Fig.15 The interference cycle in the frequency domain of the received noise signal in channel 5

圖16給出了根據(jù)實(shí)測(cè)海洋環(huán)境計(jì)算的頻域干涉周期隨收發(fā)距離的變化情況，頻域干涉周期在5～25 km內(nèi)從3.0 Hz增大到11.0 Hz。表1給出了根據(jù)圖15實(shí)測(cè)頻域干涉周期與圖16仿真頻域干涉周期的對(duì)比估計(jì)出的兩個(gè)海面目標(biāo)的水平距離，70～160 Hz頻段內(nèi)目標(biāo)水平距離在9～592 s內(nèi)從14.27 km減小到11.00 km，160～230 Hz頻段內(nèi)目標(biāo)水平距離在9～592 s內(nèi)從20.35 km增大到22.06 km。

圖16 根據(jù)實(shí)測(cè)海洋環(huán)境計(jì)算的頻域干涉周期Fig.16 The calculated interference cycle in the frequency domain based on practical marine environment

Tab.1 The estimated range of targets based on the frequency-domain interference cycle

表2給出了9～592 s內(nèi)AIS系統(tǒng)提供的附近海面所有船舶的水平距離信息，該時(shí)間段內(nèi)實(shí)驗(yàn)海域內(nèi)存在4個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)1的水平距離從16.61 km減小到12.10 km，目標(biāo)1的船速為12.3 kn、航向?yàn)?09°(正北為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn))，目標(biāo)1逐步靠近接收點(diǎn)，目標(biāo)2的水平距離從21.09 km增大到21.73 km，目標(biāo)2的船速為14.1 kn、航向?yàn)?14°，目標(biāo)2逐步遠(yuǎn)離接收點(diǎn)，目標(biāo)3和4的水平距離都保持在30 km以上．表3給出了該時(shí)間段內(nèi)根據(jù)AIS系統(tǒng)提供的水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(Maritime Mobile Service Identify，簡(jiǎn)稱MMSI)查詢得到的附近海面船舶的船長(zhǎng)、船寬和總噸，目標(biāo)1和2的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)3和4。

根據(jù)9～592 s內(nèi)估計(jì)海面目標(biāo)水平距離(表1)和實(shí)測(cè)海面目標(biāo)水平距離(表2)的對(duì)比，以及目標(biāo)1、2的船速、航向信息，可以判斷產(chǎn)生70～160 Hz頻段內(nèi)干涉條紋的是目標(biāo)1、產(chǎn)生160～230 Hz頻段內(nèi)干涉條紋的是目標(biāo)2，如圖17所示。圖18給出了目標(biāo)1和2的估計(jì)距離與實(shí)測(cè)距離的對(duì)比，目標(biāo)1和2的距離估計(jì)平均誤差為11.3%和1.4%，對(duì)于目標(biāo)1的距離估計(jì)誤差大于對(duì)于目標(biāo)2的距離估計(jì)誤差。圖12中70～160 Hz頻段內(nèi)干涉條紋與160～230 Hz頻段內(nèi)干涉條紋相比，干涉條紋間隔較小較模糊不利于干涉條紋的提取。

表2 實(shí)驗(yàn)海域內(nèi)海面船舶與接收點(diǎn)的水平距離

表3 實(shí)驗(yàn)海域內(nèi)海面船舶的船長(zhǎng)、船寬和總噸

5 結(jié)論

當(dāng)海面目標(biāo)位于深海聲場(chǎng)第一影區(qū)內(nèi)，由4條固定的海底一次反射聲線干涉疊加，本文給出了干涉結(jié)構(gòu)的近似理論表達(dá)式，分析得到在影區(qū)內(nèi)聲場(chǎng)頻域干涉周期隨收發(fā)距離的增加而增大、隨著接收水聽器深度的增加而減小?；陬l域干涉周期與收發(fā)距離的關(guān)系，提出了一種單水聽器的被動(dòng)聲源測(cè)距方法，利用南海深海海域獲得的噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和AIS數(shù)據(jù)對(duì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。相對(duì)于吳國(guó)清[14]分析淺海近距離(數(shù)倍海深)范圍內(nèi)直達(dá)聲、海面反射聲和海底反射聲互相干涉引起的譜干涉現(xiàn)象，利用聲線直線近似和聲速均勻近似幾何推導(dǎo)了干涉譜與聲源深度、距離的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)淺海近距離目標(biāo)測(cè)距測(cè)深，本文對(duì)于深海聲影區(qū)4條海底反射聲線形成的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似推導(dǎo)，得到聲強(qiáng)在頻率域僅有兩種干涉周期，對(duì)于影區(qū)海面目標(biāo)由于頻帶限制僅可觀測(cè)到第二種干涉結(jié)構(gòu)，頻域干涉周期隨距離單調(diào)增大，通過匹配聲場(chǎng)頻域干涉周期實(shí)現(xiàn)21 km遠(yuǎn)距離海面目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)距，利用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)驗(yàn)證了測(cè)距結(jié)果。另外，當(dāng)影區(qū)內(nèi)存在多個(gè)聲源目標(biāo)時(shí)，不同聲源形成的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)相互疊加，限制本文所提方法的使用，有待進(jìn)一步改善和發(fā)展這種方法。

圖17 實(shí)驗(yàn)海域船舶分布與海面目標(biāo)距離估計(jì)的對(duì)比(第592 s)Fig.17 The comparison between the practical distribution of vessels and the estimated results of target range

圖18 目標(biāo)1和2的估計(jì)距離與實(shí)測(cè)距離的對(duì)比Fig.18 The comparison between the estimated range and the practical range of target 1 and 2

致謝：感謝參與海上實(shí)驗(yàn)人員，是他們的辛勤勞動(dòng)為本文提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1] 李啟虎. 聲吶信號(hào)處理引論[M]. 北京: 海洋出版社, 1985.

Li Qihu. The Introduction of Sonar Signal Processing[M]. Beijing: China Ocean Press, 1985.

[2] Smith J O, Abel J S. Closed-form least-square source location estimation from range-difference measurements[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1987, 35(12): 1661-1669.

[3] Baggeroer A B, Kuperman W A, Mikhalevsky P N. An overview of matched field methods in ocean acoustics[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1993, 18(4): 401-424.

[4] Nardone S C, Lindgren A G, Gong K F. Fundamental properties and performance of conventional bearings-only target motion analysis[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1984, 29(9): 775-787.

[5] Tao H, Hickman G, Krolik J L, et al. Single hydrophone passive localization of transiting acoustics sources[C]//Proceedings of OCEANS 2007，IEEE. Scotland, 2007：1-3.

[6] Kevin L C, Henrik S. Robust passive range estimation using the waveguide invariant[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2010, 127(5): 2780-2789.

[7] Rakotonarivo S T, Kuperman W A. Model-independent range localization of a moving source in shallow water[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 132(4): 2218-2223.

[8] Lee S, Makris N C. The array invariant[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2006, 119(1): 336-351.

[9] Chuprov S D. Interference structure of a sound field in a layered ocean[M]//Ocean Acoustics: Current State. Moscow: Nauka, 1982: 71-79.

[10] Zhao Z D, Wang N, Gao D Z. Broadband source ranging in shallow water using the Ω-interference spectrum[J]. Chinese Physics Letters, 2010, 27(6): 110-113.

[11] 戚聿波, 周士弘, 張仁和, 等. 一種基于β-warping變換算子的被動(dòng)聲源距離估計(jì)方法[J]. 物理學(xué)報(bào), 2015, 64(7): 074301-1-074301-6.

Qi Yubo, Zhou Shihong, Zhang Renhe, et al. A passive source ranging method using the waveguide-invariant-warping operator[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(7): 074301-1-074301-6.

[12] 任云, 戚聿波, 周士弘, 等. 聲強(qiáng)譜頻移補(bǔ)償?shù)牟▽?dǎo)不變量和距離估計(jì)方法[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 39(3): 319-323.

Ren Yun, Qi Yubo, Zhou Shihong, et al. Waveguide invariant and range estimation based on frequency-shift-compensation of underwater acoustic intensity spectrograms[J]. Acta Acustica, 2014, 39(3): 319-323.

[13] Thode A M, Kuperman W A, D’Spain G L, et al. Localization using Bartlett matched-field processor sidelobes[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2000, 107(1): 278-286.

[14] 吳國(guó)清. 線譜非平穩(wěn)性分析和利用干涉譜測(cè)距[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 29(4): 363-368.

Wu Guoqing. Nonstationarity analysis of line spectrum and range estimation by spectrum interference[J]. Acta Acustica, 2004, 29(4): 363-368.

[15] 翁晉寶, 李風(fēng)華, 郭永剛. 典型深海聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 41(3): 330-342.

Weng Jinbao, Li Fenghua, Guo Yonggang. The sound field frequency-range interference patterns in deep water: theory and experiment[J]. Acta Acustica, 2016, 41(3): 330-342.

[16] 翁晉寶, 李風(fēng)華, 郭永剛. 深海近距離聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)反演海底聲學(xué)參數(shù)[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 40(2): 207-215.

Weng Jinbao, Li Fenghua, Guo Yonggang. Geoacoustic inversion based on near-field frequency-range interference pattern in deep water[J]. Acta Acustica, 2015, 40(2): 207-215.

[17] Porter M B. The BELLHOP Manual and User’s Guide: PRELIMINARY DRAFT[OL]. http://oalib.hlsresearch.com/Rays/HLS-2010-1.pdf, 2011-01-31/2016-01-07.

A passive sea-surface source ranging method by single hydrophone in deep sea

Weng Jinbao1，Yang Yanming1

(1.OceanLaboratoryofAcousticsandRemoteSensing,ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361005,China)

The sound field frequency-range interference patterns of sea-surface source in deep water are discussed based on ray theory. Approximate formulae of the sound field frequency-range interference patterns in the shadow zone are provided. In the shadow zone, the interference cycle decreases with the increase of the depth of the receiver and increases with the increase of the propagation range. As a result, the source range can be extracted from the interference cycle of the sound intensity using a single hydrophone. The sound field interference patterns caused by sea-surface broadband noise sources in the shadow zone have been observed in a deep sea experiment in the South China Sea. The availability of the shadow zone sound field interference structure in the passive source range estimation is verified by experimental data. Compared with conventional matched field passive source localization method, this method doesn’t need seafloor acoustic parameters and large scale computing of replica fields.

sea-surface source; shadow zone of deep water; sound field interference structure; passive ranging

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.004

2016-01-07；

2016-07-13。

國(guó)家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(海三科2016016)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400103)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61601132，41606116)；福建省自然科學(xué)基金(2016J01019)。

翁晉寶(1989—)，男，福建省晉江市人，從事海洋聲學(xué)研究。E-mail:wengjinbao@tio.org.cn

*通信作者：楊燕明，男，研究員，主要從事海洋聲學(xué)研究。E-mail:yangyanming@tio.org.cn

P733.23

A

0253-4193(2017)01-0036-10

翁晉寶，楊燕明. 深海海面目標(biāo)單水聽器被動(dòng)測(cè)距方法與驗(yàn)證[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 36-45,

Weng Jinbao, Yang Yanming. A passive sea-surface source ranging method by single hydrophone in deep sea[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 36-45, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.004