深海可靠声路径下目标多参数联合估计方法
摘要
水下目标定位作为海洋声学的一个重要研究内容，一直受到国内外水声科研工作者
的关注。随着我国海洋科学技术的不断发展，其研究的对象逐渐从大陆架浅海环境向深
海环境拓展。然而与浅海环境相比，深海环境在空间尺度和声传播特性等方面均存在非
常大的差异。本文从深海声传播角度出发，研究了深海大深度声场的声传播特点、可靠
声路径下声场物理特性和基本变化规律。将声场所反映出的物理特点同矢量信号处理方
法相结合，研究了针对目标深度和速度等参数的估计方法。相关的理论和方法通过数值
仿真进行了验证。本文主要研究工作如下：
1.研究了深海大空间尺度下的可靠声路径特点
本文首先介绍了波导环境下的水声传播理论模型，阐述了水声传播过程的基本规律。
利用简正波模型和射线理论模型分别对深海大深度空间下声传播过程中所产生的可靠
声路径进行仿真建模，研究了可靠声路径下声波在传播过程中呈现的物理现象以及变化
规律。研究了声速梯度分布和目标的深度对可靠声路径的影响，通过数值仿真进行了验
证。
2.研究了一种基于单矢量水听器的水下目标深度估计方法
利用海面附近目标所激发的声波通过可靠声路径传播过程中接收声场所呈现出多
途到达结构特点，研究了一种通过单矢量水听器实现目标深度估计的方法。在中近距离
下，在临界深度以下接收到通过可靠声路径传播的声波，其中对声场有主要贡献的为直
达波和海面反射波。通过射线理论描述了单矢量水听器接收的直达波和海面反射波构成
的矢量声场，结合目标的运动状态特点推导了声压振速空间周期干涉结构的表示形式。
研究了周期干涉结构、目标垂直到达角和目标深度之间的关系，利用傅里叶变换和周期
干涉结构的零点特点对周期干涉结构所包含的目标深度信息进行估计。此外，还进一步
的利用上述深度估计方法得到的目标深度、目标垂直到达角和水平距离之间的关系对目
标的水平距离进行了估计。最后通过数值仿真验证了所研究的目标深度估计方法的有效
性。
3.研究了一种基于矢量垂直阵的水下目标多参数联合估计方法
宽带信号具有更加丰富的信息，使得接收声场能够反映更多目标的物理参数信息。
目标激发的声场存在和目标深度有关的干涉条纹结构，该宽带干涉条纹结构和目标的深
度之间存在密切的联系。因此，根据矢量垂直阵接收宽带信号的特点结合宽带波束形成
哈尔滨工程大学硕士学位论文
方法研究了一种水下目标的深度估计方法。运动目标所激发的声场在接收端的深度下呈
现出和速度相关的条纹。利用矢量垂直阵任意阵元所接收到的声压信息和质点振速信息
构建基于声压振速互相关的速度干涉条纹，通过基于傅里叶变换思想的广义傅里叶变换
对目标的径向速度进行估计。通过数值仿真验证了矢量垂直阵估计目标的深度和速度参
数方法的有效性。
关键词：深海波导环境；可靠声路径；水声定位；水声信号处理
深海可靠声路径下目标多参数联合估计方法
ABSTRACT
Asanimportantresearchdirectioninthefieldofoceanacoustics,underwatertarget
positioninghasbeenattractingtheattentionofunderwateracousticresearchers.Withthe
continuousdevelopmentofmarinescienceandtechnologyinChina,theresearchobjecthas
graduallyexpandedfromtheshallowoceanenvironmentofthecontinentalshelftothedeep
oceanenvironment.However,comparedwithshallowoceanenvironments,deepocean
environmentshavesignificantdifferencesinspatialscal