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浅海环境下运动声源被动测距方法的适应性与精度优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

海洋，作为地球上最为广袤且神秘的领域，占据了地球表面积的约71%，其蕴含着丰富的资源和无限的探索潜力。浅海区域，作为海洋与陆地的过渡地带，水深通常在200米以内，连接着陆地与深海，是海洋生态系统的重要组成部分，也是人类开发利用海洋资源的前沿阵地。这里不仅拥有丰富的渔业资源、油气资源，还在交通运输、海洋能源开发等领域发挥着关键作用。同时，浅海环境复杂多变，受到潮汐、海浪、海流、温度、盐度等多种因素的影响，导致其声学环境具有独特的复杂性和多变性。

在军事领域，浅海区域的战略地位举足轻重，是潜艇、舰艇等水下作战平台的重要活动区域。在现代海战中，准确探测和定位敌方运动声源，如潜艇、鱼雷等，对于掌握战场主动权、保障己方舰艇安全至关重要。运动声源的被动测距技术，作为水下目标探测与定位的核心技术之一，能够在不暴露自身位置的前提下，通过接收目标声源辐射的声波信号，实现对目标距离的估计，为后续的攻击或防御决策提供关键依据。例如，在反潜作战中，通过被动测距技术准确获取潜艇的位置信息，可有效提高反潜作战的效率和成功率，保障己方舰艇和人员的安全。若能及时发现敌方潜艇的踪迹并准确测距，便能提前制定应对策略，采取有效的反潜措施，如投放深水炸弹、发射反潜导弹等，从而在海战中占据优势。

海洋监测领域，浅海环境的运动声源被动测距技术同样发挥着不可或缺的作用。随着海洋经济的快速发展，人类对海洋环境的影响日益加剧，海洋污染、海洋生态破坏等问题愈发严重。为了实现海洋资源的可持续开发和利用，保护海洋生态环境，需要对海洋环境进行全面、实时的监测。运动声源被动测距技术可用于监测海洋生物的活动规律、海洋地质构造的变化以及海洋工程设施的运行状态等。通过监测海洋生物发出的声音信号，可了解其种类、数量、分布范围和迁徙路线等信息，为海洋生物资源的保护和管理提供科学依据；监测海洋地质构造活动产生的声音信号，能够及时发现地震、海啸等自然灾害的前兆，为防灾减灾提供预警信息；监测海洋工程设施，如石油钻井平台、海底管道等运行时产生的声音信号，可评估其结构健康状况，及时发现潜在的安全隐患，保障海洋工程设施的安全运行。

1.2国内外研究现状

在浅海环境运动声源被动测距领域，国内外学者开展了大量研究，取得了一系列具有重要理论和实践价值的成果。

国外方面，早在20世纪中叶，随着声呐技术的发展，被动测距技术开始受到关注。早期的研究主要基于简单的声学理论和模型，如射线理论，用于分析浅海环境中的声传播特性，为后续的被动测距研究奠定了基础。随着对海洋声学研究的深入，学者们逐渐认识到浅海环境的复杂性对声传播和被动测距的影响。例如，海洋中的温度、盐度、海流等因素会导致声速剖面的变化，进而影响声波的传播路径和到达时间，使得传统的基于均匀介质假设的测距方法面临挑战。

为应对这些挑战，国外研究人员提出了多种被动测距方法。其中，匹配场处理（MFP）技术在20世纪80年代得到了广泛研究和应用。MFP方法基于声传播模型，通过将接收信号与在不同距离、深度假设下计算得到的声场进行匹配，来估计声源的位置。这种方法在理论上能够充分利用浅海环境的先验信息，实现高精度的被动测距。但在实际应用中，MFP方法对环境参数的准确性要求极高，由于浅海环境的复杂性和多变性，获取准确的环境参数往往十分困难，微小的环境参数失配就可能导致测距误差显著增大，限制了其在实际中的应用效果。

波导不变量和阵不变量方法是近年来国外研究的热点之一。波导不变量理论由Chuprov提出，用于描述宽带声场的声强干涉现象，声场的干涉图案中蕴含着环境参数信息和声源特征信息。Thode利用垂直阵分别接收来自引导声源和目标声源的宽带声信号，做Bartlett相关并应用波导不变量原理，在引导声源处等效地得到一条水平虚拟接收阵，通过此虚拟阵“接收”到的声信号来获取目标声源的距离。SunwoongLee和NicholasC.Makris提出的阵不变量方法，同样能够实现宽带声源的有效测距。与传统的三元阵被动测距技术相比，阵不变量方法充分考虑了信道环境对声传播的影响，能够提高浅海声源测距性能；与匹配场处理相比，它降低了对环境参数的依赖，测距稳健性较强，具有良好的应用前景。然而，阵不变量方法在水体声速剖面变化时，也存在一定的局限性，其值并非绝对不变，而是随着简正波号数和声源频率的不同而略有差异。

在利用单水听器进行被动测距方面，国外也有不少研究成果。Zhang等提出一种基于自相关函数峰值提取的无源定位方法，利用单个水听器就能实现定位，但该方法无法适应非稳定环境。Warner等利用单个水听器，采用基于模型的贝叶斯估计方法实现了水声参数和海底参数