第1章 绪论

1.1 研究意义

海洋声学的基本任务是研究声波在海洋环境下的基本传播规律、海洋环境对声波传播的影响及基于以上基础研究的应用研究。海洋对声波是透明的，对电磁波则不然。因此，勘测海底、探测鱼群、船舶和潜艇之间的通信，以及使用主动和被动声呐发现舰船等无不强调声学方法的应用。由于海洋军事的需求，水声学于第二次世界大战初期开始迅速发展，包含的子领域有海洋声测量学（温度、盐度、海流等）、地质声学（海底地貌和底质特性等）、生物声学（海洋生物探测、识别和跟踪等）、海洋声学（声传播特性，目标探测、识别和定位等），以及海洋结构声学和水动力声学等。在研究海洋声学问题时，一般需要明确研究的对象是浅海还是深海。虽然深、浅海的波动方程相同，但由于垂直尺度、边界条件、声速剖面、介质不均性等因素的显著差异，导致深、浅海的声传播特性差别较大，所适用的目标探测、识别和定位方法也不同。深、浅海声学条件的差别主要有以下4点：

（1）垂直尺度。浅海一般认为是从海岸至大陆架坡折或至大陆架陡坡 500m 深度的海域。深海海域的海深一般在 1000m 以上，存在典型的温跃层（极地区域除外）。考虑几十赫兹至几百赫兹的声频率，浅海海深一般相当于几个至几十个声波波长。此时，声场的射线模型不适用，一般使用简正波模型解释声传播特性。而在深海海域，一般使用射线模型解释观测到的多途信号到达结构。此外，由于深海垂直尺度较大，可以观测到4种声传播模式：表面波导、深海声道、可靠声路径和海底反射。浅海环境有时也存在表面波导，但由于海底反射信号的影响，很难观测到表面波导声传播特性。

（2）边界条件。由于海底分层现象的存在及海底的不平整性，海底边界比海面边界更复杂，建模更困难。在平整海面条件下，海面边界是简单的压力释放边界，但在风浪较大时，粗糙海面的声散射也须在建模中予以考虑。在浅海环境中，须考虑声传播与边界（海面和海底）的相互作用。例如，浅海环境下的声速剖面多呈现向下折射的特性，海底边界几乎是无法避免的。在深海环境中，有些声传播可以避免与边界或其中一个边界相互作用，处理起来较为简单。例如，在深海声道中的声传播过程，靠近声道轴的低阶模态与边界均不发生相互作用，其传播特性比较简单。类似的声传播还有表面波导传播和可靠声路径传播等。

（3）三维声场效应。在浅海环境中，沿海流锋面、非线性内波、大陆架斜坡、大陆架坡折海域等会产生明显的三维声场效应，如水平折射效应。在深海环境中，海山、海岛、锋面和涡旋等会引起三维声场效应，但这些因素出现的海域相对于整个深海海域，比例较小。因此，深海声传播的研究更倾向于二维声场。

（4）混响与衰减。在浅海中，由于海深较浅，声波与边界频繁接触，混响和衰减相对于深海更加明显。

从20世纪80年代至今，海洋声学的理论和实验研究偏重于浅海。浅海实验包括中国学者在80年代末组织的黄海实验、1992年的巴伦支海极地锋面实验、1995年的SWARM实验、1996—1997年的大陆架坡折PRIMER实验、2000—2001年的ASIAEX实验，以及2006年的SW06实验等。浅海声学迅速发展，一是因为浅海声传播的复杂性，二是因为地缘因素。大陆架延伸海域一般为浅海，所以浅海声学的研究是国家防御战略的需求。深海声学的理论和实验研究相对偏少，典型的实验有1986—1992年的太平洋回声（Pacific Echo）实验、1987年的TAGET 87实验、2004年的LOAPEX实验和2009—2011年的菲律宾海（PhilSea 09和PhilSea 10）实验。随着深海声学设备的逐渐成熟及各个国家走向深远海的战略需求，深海声学的研究逐渐成为国际研究的热点，尤其是菲律宾海实验中全深度阵列的使用可以更深入研究以下课题：

（1）锋面、涡旋、内潮对声场的影响。

（2）利用数据同化方法预测海洋声场环境的可靠性。

（3）海洋微结构对声场的影响。

（4）全深度的噪声特性，包括其时变特性。

（5）全深度声场传播特性，包括到达结构等。

国内水声学术界长期以来重点在第一岛链以内开展工作，研究的环境主要是大陆架浅海环境，对深海环境特性、水声传播特征和声呐性能评估的研究缺乏长期、系统和广泛的积累，在这些方面还有十分广阔的研究空间。

然而，在深海、远海的海洋声学方面，我国目前的研究基础还不够充分，尤其是在海洋声学理论（如深海声传播物理机理和目标检测与定位方法等）、深远海水声综合考察（如深远海声传播及海洋物理现象同步观测、深远海海洋环境噪声和海洋声层析等）、水声装备的深远海对抗技术等方面，缺乏长期和深入系统的研究。由于深海与浅海声传播特性的差异性，基于浅海环境的声呐系统若直接应用于深海，则声呐性能将大幅度降低，甚至失效。此外，潜艇降噪和吸波技术得到了巨大的发展，安静型潜艇在低速航行时，100Hz处的线谱声源级已经降低至115 dB，在1kHz处的线谱声源级为95dB，并且先进潜艇较强的线谱成分也已经几乎不复存在。因此，在研究近浅海的同时，加强深远海的研究，提出适用的声源定位方法符合我国国防建设的需求。

水下声源定位分为主动和被动两种工作方式。被动工作方式具有隐蔽性高的优点，是各类水下声源定位的重要手段。水声信号处理发展历程可以分为两个阶段^[1]。第一阶段为传统水声信号处理方法，假设声波为平面波、声场各向同性，在此基础上发展了丰富的阵列信号处理方法，并且使用匹配滤波技术提高处理增益。然而，在实际海洋环境中，由于海水的非均匀性，以及海面和海底边界的影响，实际声场明显偏离平面波假设，传统定位方法难以对水下目标实现准确定位。第二阶段是将水声物理纳入水声信号处理体系中，人们逐渐重视海洋波导环境的复杂性对水声信号处理的影响。这一阶段海洋声学和水声传播理论成为研究热点。传统水声信号处理和水声物理场相结合的新的信号处理方法层出不穷，匹配场处理（Matched Field Processing，MFP）是第二阶段最具代表性的处理方法^[2，3]。与传统水声信号处理方法相比，这些新的信号处理方法结合了海洋波导特性，因而获得了更好的定位效果。历史上，通过水声装备探测能力的多次重大突破，人们开始认识到水声传播特性的重大作用：基于深海汇聚区的探测模式已经成为声呐探测远距离目标的最重要方式；若声呐深度较浅，近距离的目标探测范围仅有 2～3km，而变深拖曳声呐的使用可以扩大探测范围；海底反射声波的研究促进了声呐海底反射模式的发展，在一定条件下可以探测几千米至二三十千米的目标。目前，水声传播特性的研究热点包括表征声场相干性/干涉性不变特征的参量（如波导不变量）、稳定的海洋信道（如深海可靠声路径）、深海信号多途到达时延及到达角等。今后，基于水声传播特性的定位技术将是推动水声装备进一步创新发展的重要因素。只有那些能够与海洋环境良好匹配的新型声呐才有可能达到最优的技术性能。从这个角度来说，声呐技术取得跨越式发展的重要途径之一，在于水声传播特性研究。基于上述分析，本书主要介绍各种环境适应性强的水下声源定位方法。