1.3 本书的结构

本书作者在处理和分析浅海与深海实验数据的过程中，不仅观察到一些值得研究的水声传播现象，而且也发现了传统定位方法的不适用性。因此，本书从基本的声传播现象出发，经过理论推导、仿真验证、实验数据检验等步骤，详尽地阐明了一些声传播现象的物理机理。从这些现象出发，文章提出了稳健的被动定位方法，经过仿真或实验数据验证，该方法在工程实践中具有广大的应用前景。除绪论外，各章主要内容介绍如下。

第2章作为全文的理论基础，主要内容包括声场传播数学模型及三种数值计算方法和声传播模式的特性分析。从传播损失角度初步分析了深海和浅海水声环境对声传播模式的影响，形成水声传播模式对声呐性能影响的基本认识。这种影响是多方面的，包括目标检测、定位、跟踪和识别等，涵盖内容广泛。本章还介绍了关于信号方位估计的一些基本知识。

第3章研究了浅海窄带声源定位方法，主要内容包括匹配场定位性能和时反聚焦性能的对比分析，以及虚拟时反定位方法。重点研究了水平线阵列深度对匹配场定位性能和时反聚焦性能的影响；然后研究了基于虚拟时反的水下目标定位方法，阐明了虚拟时反处理方法的优越性，并利用地中海浅海实验数据验证了虚拟时反定位方法的快速性能。

第4章研究了浅海宽带声源定位方法，主要利用信号多途到达结构特性和模态结构特性，介绍了基于自相关函数时延提取、多途到达角和时延联合定位方法、简正波模态消频散变换等多种稳健目标定位方法。利用了本书作者在南海获得的实验数据验证了方法的有效性。

第5章研究了深海近海面阵列用于近海面中近距离目标的定位方法，主要利用信号多途到达结构特性。首先介绍了第4章中提出的联合定位方法在该环境下的应用，然后提出了一种基于几何关系近似的高效声源定位方法，不需要声场计算模型，而且在保证定位精度的同时，提高定位的速度。

第6～9章研究了可靠声路径（Reliable Acoustic Path，RAP）中声传播特性和在该声道中的多种稳健目标定位方法，由于所采用的系统配置不同，所使用的定位方法也不同。需要指出的是，适用于简单系统配置（如单水听器等）的定位方法一般也适用于更复杂的系统配置（如垂直线阵列等）。

第6章介绍了RAP单水听器在低信噪比条件下的定位方法，均只适用于运动的目标。首先基于直达波和海面反射波的时延随时间变化的曲线，结合扩展卡尔曼滤波，提出了一种目标运动初始状态迭代求解的定位方法。然后，基于运动目标不同时刻接收信号的互相关函数，提出了运动声源测速和定深的方法。

第7章介绍了RAP双水听器定位方法，主要基于双水听器多途时延差的匹配。首先介绍了一种获取多途时延后的直接匹配算法，然后介绍了一种基于互相关函数直接匹配进行定位的方法。由于实际信号带宽有限，互相关函数中距离较近的两个峰值结构将会叠加，导致定位性能降低。利用互相关函数峰值结构的相似性构造基矩阵，对互相关函数进行K-稀疏重构（K=4），获得较高分辨率的互相关函数峰值结构，降低定位旁瓣，从而提高了定位精确度。

第8章介绍了RAP垂直线阵列定位方法。首先，将第4章提出的多途到达角匹配定位方法应用于该环境中，并且研究了阵列孔径、信噪比等因素对该方法的影响。然后，介绍了一种多途时延信息的频域表述方式，利用这种特性估计目标深度，与基于直达波到达角的距离估计方法相结合，构成了与第4章具有相同架构的联合估计方法。

第 9 章分析了在可靠声路径中，声源距离-频率平面上的干涉条纹现象，发现其与目标深度密切相关。利用简正波的射线解释理论分析了这种干涉条纹形成的物理机理，提出了一种精确计算条纹位置的算法。同时，书中还给出了基于这种干涉条纹的目标定深方法。利用西太平洋的数据验证了这种干涉条纹现象及目标定深方法的可行性。

第 10 章介绍了阵列流形失配条件下的水平线阵列测向方法。声源测向虽然无法直接给出声源位置，但是也提供了声源重要的信息，并且可以结合其他方法（如第4章的联合定位方法和目标运动分析等）实现声源定位。本章主要介绍基于稀疏性的被动合成孔径定位与子阵处理方法和海底水平线阵列测向误差分析及误差修正方法研究两方面的内容。