深海海面目标单水听器被动测距方法与验证

翁晋宝,杨燕明

(1.国家海洋局第三海洋研究所 海洋声学与遥感实验室，福建 厦门 361005)



深海海面目标单水听器被动测距方法与验证

翁晋宝1,杨燕明1*

(1.国家海洋局第三海洋研究所 海洋声学与遥感实验室，福建 厦门 361005)

基于射线理论分析了在深海情况下海面声源产生声场的频率-距离干涉结构，给出了影区内声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式，分析得到影区内声场频域干涉周期随收发距离的增加而增大、随着接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现被动声源距离估计。在南海深海实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区形成的声场干涉结构，对实验获得声场干涉结构的处理结果验证了深海声场影区干涉结构用于被动声源距离估计的有效性。与传统的匹配场被动定位方法相比，该方法不需要已知海底声学参数和大规模的拷贝场计算。

海面目标；深海声场影区；声场干涉结构；被动测距

1 引言

传统的水下被动目标定位系统一般需要多个基元对目标实现定位，例如三子阵法[1]和球面内插法[2]，这类方法利用声信号到达时间或相位进行测距，对基阵布放精度要求高，工作频率高，测距距离近，精度低。近些年来，定位技术的发展方向主要有两大类，匹配场定位技术[3]和目标运动分析[4]。匹配场定位技术利用已知的海洋环境参数，采用适当的声场模型计算模拟的接收信号，然后与实际测量得到的声信号进行相关“匹配”，实现对目标声源定位。这种方法需要解决的主要是环境、声场模型和基阵系统失配等问题，在复杂海洋环境中往往受限。目标运动分析通过一段时间数据的信息综合，利用如方位、频率和速度等信息来确定目标位置，然而该方法要求观测平台必须机动，而且收敛时间长，测距精度也较低。近年来随着水声技术的发展，利用波导不变量进行目标定位受到了国内外研究人员[5—8]的关注，该类算法的优点是对环境具有更好的宽容性。

在浅海波导中声波以简正波叠加的形式传播，不同号简正波发生干涉，使声场具有稳定的频率-空间干涉结构，表现为声强的频率-距离图上出现明暗相间的干涉条纹。Chuprov[9]用一个简单的公式定义了波导不变量：

(1)

用于描述干涉条纹斜率与距离和频率的关系。波导不变量从一个全新的角度揭示了声波在海洋中传播的结构特征，在水声定位中得到应用。文献[5—8]描述了利用单阵元进行浅海目标的波导不变量测距方法。Zhao等[10]基于波导不变量，推导出了声源距离与声场干涉谱频域周期的关系，利用引导源可实现单个水听器宽带运动声源距离估计。戚聿波等[11]基于浅海简正波水平波数差与波导不变量之间的关系，提出了一种适用于水平不变浅海声波导中接收信号自相关函数的频域卷绕变换算子，可用于被动声源距离估计。任云等[12]基于声强的距离-频率干涉结构，利用对水平阵不同阵元信号的声强谱进行频域补偿的方法估计波导不变量和距离，在波导不变量和距离其中一项已知的情况下，可以通过该方法估计另外一项。Thode等[13]将波导不变量原理与匹配场处理结合，一定程度上提高了匹配场定位的性能。

对于深海低频声场，根据射线理论由于经多次海底反射的声线幅度较小可忽略，实际上对于声场影响较大的声线数目不多，便于分析深海声场干涉结构。2004年吴国清[14]分析了浅海近距离(数倍海深)范围内，直达声、海面反射声和海底反射声互相干涉引起的谱干涉现象，利用声线直线近似和声速均匀近似几何推导了干涉谱与声源深度、距离的关系，从而根据实测干涉谱反推声源深度和距离，并利用实验数据实现浅海水平距离500 m范围内水下目标被动测距。翁晋宝等[15]基于射线理论分析当声源与接收水听器位于深度较浅的表面附近时声源激发的典型深海声场频率-距离干涉结构，在第一影区内由固定的4条海底一次反射声线干涉叠加，在这种情况下声场干涉结构在固定距离下声场的频率干涉周期固定，因此声场的干涉条纹在频率域上等间隔分布，在深海影区目标定位中具有应用前景。此外，翁晋宝等[16]基于深海近距离声场频率-距离干涉结构，提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。

针对深海海洋环境，本文首先基于射线理论分析了海面声源产生声场的频率-距离干涉结构，得到影区内干涉结构的近似理论表达式，给出声强频域干涉周期与收发距离的变化关系，研究深海海洋环境中海面声源距离被动估计问题，并且利用海上实验数据进行了验证。

2 深海海面声源声场干涉结构分析

在典型深海海洋环境下，当声源与接收水听器位于海水表层时，根据接收水听器与声源的水平距离可以将典型深海声场在空间上划分为直达声作用区、影区及会聚区，直达声作用区指声线未经海底反射或未经海底附近反转的作用区域，影区指直达声线与反转声线无法到达的区域，会聚区指反转声线形成的高强度焦散的区域。典型5 000 m深海声场声线如图1所示，其中声源深度为100 m、声速剖面如图2所示。

图1 声场区域的划分Fig.1 The division of sound field region

图2 声速剖面Fig.2 The sound velocity profile

图3 对影区声场起主要贡献的声线Fig.3 The main contributing sound rays to sound field of the shadow zone

根据文献[15]，在影区内，假设多次海底反射声线由于能量衰减大而对声场的贡献可以忽略不计，第一影区的声场仅考虑一次海底反射声线的贡献，在所示的典型深海条件下，当声源与接收水听器位于海水表层时，如图3所示，一次海底反射声线包含4条声线路径：声源—海底—接收器、声源—海面—海底—接收器、声源—海底—海面—接收器和声源—海面—海底—海面—接收器，则接收水听器接收到的声压可以近似为：

(2)

式中，S(f)表示声源的谱级，W表示声源单位立体角内的辐射声功率，F、R、Vb和t分别表示声线的聚焦因子、斜距、海底声压反射系数和传播时间，变量的下标依次代表海底反射次数和声线的序号。

图4 声源掠射角Fig.4 The source angle

当声源位于海水表层时，声线1与声线2的轨迹基本一致，如图4所示，声源掠射角基本一致(不考虑正负)即α11≈α12，聚焦因子F、斜距R和海底声压反射系数Vb也基本一致，令Δt1=t12-t11，则式(2)中声线1与声线2的相干叠加部分可以近似表示为：

(3)

α11与α12差别较小，Δt1可以近似表示为[15]：

(4)

由于声源位于海水表层则声线3与声线4的轨迹也基本一致，声线的声源掠射角基本一致即α13≈α14，聚焦因子F、斜距R和海底声压反射系数Vb也基本一致，则式(2)中声线3与声线4的相干叠加部分可以近似表示为：

(5)

α13与α14差别较小，t14-t13可以近似表示为[15]：

(6)

(7)

令Δt2=t13-t11，则式(2)中4条声线相干叠加部分可以近似为：

(8)

由于接收水听器位于海水表层时，声线1与声线3的轨迹相近，α11与α13差别较小，则Δt2可以近似表示为[15]：

(9)

综上所述接收水听器接收到的声压可以近似为：

×(1-ei2πfΔt1)(1-ei2πfΔt2)，

(10)

接收到的声强可以近似为：

(11)

其中，

Δt1=t12-t11，

(12)

Δt2=t13-t11，

(13)

即声强随频率具有两个干涉周期，当频率f满足

f=m/Δt1(m=1,2,3,…)，

(14)

或者

f=n/Δt2(n=1,2,3,…)，

(15)

时声强为极小值，在声强频率-距离图上表现为干涉相消的条纹。

当声源为船舶等海面目标时，由于船舶吃水深度一般仅为几米，即声源深度仅有几米，则声源—海底—接收器和声源—海面—海底—接收器的声线传播时间差Δt1极小，即频域干涉周期1/Δt1极大，约数百赫兹。但是，考虑到船舶噪声中高频(大于1 kHz)部分的谱级小于低频(小于1 kHz)部分的谱级，和海洋波导中高频声传播的衰减比低频声传播的衰减大的特点，以及海洋中本身存在的环境噪声，在实际深海影区接收信号中仅在数百赫兹的低频部分可以观测到船舶噪声形成的干涉条纹。因此，对于船舶等海面噪声源，利用单水听器难以在影区内观测到式(14)代表的第一种干涉结构。

在实际应用中，接收水听器的深度往往为几十米或者数百米，则声源—海底—接收器和声源—海底—海面—接收器的声线传播时间差Δt2较大，即频域干涉周期1/Δt2较小，约几十赫兹或几赫兹，便于利用单水听器在影区内低频段观测到式(15)代表的第二种干涉结构。根据文献[15]，在固定距离的情况下，Δt2随接收深度z增加而增大，频域干涉周期1/Δt2随接收深度z增加而减小；在固定接收深度的情况下，Δt2随距离增加而减小，频域干涉周期1/Δt2随距离增加而增大。

为了验证上述理论分析，首先给出由BELLHOP[17]程序计算得到的海面目标产生的典型深海声场干涉结构。海水深度为5 000 m，声源深度为5 m，接收深度为250 m，海水声速如图2所示，海底声速为1 600 m/s，海底密度为1.8 g/cm3，海底吸声系数为0.8 dB/λ，声源带宽为50～250 Hz。图5给出了收发距离在4～55 km内的声场频率-距离干涉结构，图6给出了收发距离在4～55 km内的1/Δt2，1/Δt2在第一影区内随着距离的增加而单调增大，其中声线传播时间t11和t13由BELLHOP程序计算得到，图7给出了根据式(15)预测的声场干涉相消条纹，图8给出了将图7预测的干涉相消条纹与图5仿真得到的声场频率-距离干涉结构进行比对，从图8可以看出两者完全一致，即式(15)可以准确的预测影区内干涉相消条纹。图9给出了在同样的条件下当接收深度为125 m时的声场干涉结构，将图9和图5进行对比，可以看出声场频域干涉周期随接收深度的增加而减小。

图5 深海声场频率-距离干涉结构(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

图6 声场频域干涉周期1/Δt2Fig.6 The sound field interference cycle in the frequency domain

图7 根据式(15)预测的声场干涉相消条纹Fig.7 The sound field stripes of interference cancellation cycle predicted by equation (15)

图9 深海声场频率-距离干涉结构(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 单水听器被动声源距离估计方法

通过上面的理论分析与仿真结果可知，影区内海面目标形成声场干涉结构的频域干涉周期随距离的增加而单调增大。因此在已知接收水听器深度、海底地形和海水声速剖面的前提下，通过仿真计算得到如图6所示的频域干涉周期随水平距离的变化情况，之后只要能获得影区内海面目标形成声场干涉结构的实测频域干涉周期，通过两者之间的匹配便可以估计海面目标与接收水听器的水平距离。在实际情况中，影区内的传播损失随着影区号数的增加而不断增大，一般海面目标形成的声场干涉结构由于目标声源级的限制往往仅在第一影区内能被观测到。具体实施步骤如下：

(1)海面目标形成声场干涉结构的判断

将接收水听器布放于海水表层(例如几十米或数百米)持续接收记录宽带噪声信号，对宽带噪声信号进行连续时频分析，观察时频谱图中数百赫兹内的低频部分，如果存在明显的单一的明暗相间的条纹结构，且相邻暗条纹的频域间隔不随频率变化，则判断在第一影区内存在海面目标。

如果在同一频带内存在两种明暗相间的条纹结构叠加在一起，且两种条纹结构的频域间隔都不随频率变化，则可能是第一影区内存在水下目标，或者第一影区内存在两个海面目标，难以进行判断，暂不讨论。

(2)频域干涉周期的提取

当判断在第一影区内存在海面目标后，时频谱图上存在着明显的单一的明暗相间的条纹结构，且相邻暗条纹的频域间隔不随频率变化，因此可以在每个时刻提取包含N个亮条纹的频域间隔ΔfN(t)，之后通过Δf=ΔfN/N得到每个时刻的频域干涉周期Δf(t)，即通过平均计算减少误差。

(3)根据海洋环境参数仿真计算频域干涉周期

根据布放海域采集的海水声速剖面、海深和接收深度，假定声源深度为5 m，利用BELLHOP程序计算得到第一影区内不同距离处声源-海底-接收器声线到达时间t11(x)和声源—海底—海面—接收器声线到达时间t13(x)，之后根据Δf2=1/(t13-t11)计算第二种频域干涉周期Δf2(x)随水平距离的变化情况。

(4)匹配频域干涉周期估计声源距离

将提取得到的每个时刻的频域干涉周期Δf(t)，与根据海洋环境参数仿真计算得到的每个距离的第二种频域干涉周期Δf2(x)进行匹配，得到海面目标与接收水听器的水平距离x(t)随时间的变化情况。

4 实验数据分析

实验数据来自于在南海海域进行的声学实验，由锚定于海底的一条等间距32阵元垂直线列阵潜标记录噪声信号，垂直阵列阵元间隔30 m、覆盖深度为188～1 118 m，由固定于附近实验船上的船舶自动识别系统(Automatic Identification System, 简称AIS)记录经过接收点附近的海面船只信息。图10给出了实验海域声速剖面，水深3 495 m。

图10 实验海域声速剖面Fig.10 The sound velocity profile

图11、图12和图13分别给出了阵元1、5和10接收的当天20:00-20:10记录的噪声信号的时频分析结果，3个阵元所处深度依次为188 m、308 m和458 m，从这3张图中可以看出该时间段内声场具有两种干涉条纹，在70～160 Hz频段内干涉条纹的频域干涉周期随着时间增大逐渐变小，说明70～160 Hz频段内干涉条纹对应的是接近接收点的目标，在160～230 Hz频段内干涉条纹的频域干涉周期随着时间增大逐渐变大，说明160～230 Hz频段内干涉条纹对应的是远离接收点的目标。其中，在70～160 Hz频段内，第1阵元和第5阵元的干涉条纹较为清晰；在160～230 Hz频段内，第5阵元和第10阵元的干涉条纹较为清晰。另外，图11～13中干涉条纹的频域干涉周期明显随深度的增加而减小，与以上理论分析是一致的。

图11 第1阵元(188 m)接收噪声信号的时频分析Fig.11 The time-frequency analysis of the received noise signal in channel 1(188 m)

图12 第5阵元(308 m)接收噪声信号的时频分析Fig.12 The time-frequency analysis of the received noise signal in channel 5 (308 m)

图13 第10阵元(458 m)接收噪声信号的时频分析Fig.13 The time-frequency analysis of the received noise signal in channel 10 (458 m)

图12第5阵元接收噪声信号的时频分析中，在70～160 Hz频段和160～230 Hz频段都存在明显的单一的明暗相间的条纹结构，且相邻暗条纹的频域间隔不随频率变化，考虑到接收水听器深度为308 m，可以判断该条纹结构由声源—海底—接收器、声源—海底—海面—接收器干涉形成。图14给出了由图12中70～160 Hz频段和160～230 Hz频段分别直接提取的4条暗条纹，由于该条纹结构为明暗相间的干涉条纹，单条亮条纹的宽度即为两条相邻暗条纹的频域间隔，其中70～160 Hz频段的两条暗条纹中间间隔9条亮条纹、160～230 Hz频段的两条暗条纹中间间隔5条亮条纹，因此可以通过平均计算得到相邻暗条纹的频域间隔，即频域干涉周期，图15给出了根据图14计算的两个频段内干涉条纹的频域干涉周期，其中70～160 Hz频段干涉周期在9～592 s内从6.0 Hz减小到4.7 Hz、160～230 Hz频段干涉周期在9～592 s内从8.6 Hz增大到9.4 Hz。

图14 第5阵元接收噪声信号的干涉条纹Fig.14 The interference stripes of the received noise signal in channel 5

图15 第5阵元接收噪声信号的频域干涉周期Fig.15 The interference cycle in the frequency domain of the received noise signal in channel 5

图16给出了根据实测海洋环境计算的频域干涉周期随收发距离的变化情况，频域干涉周期在5～25 km内从3.0 Hz增大到11.0 Hz。表1给出了根据图15实测频域干涉周期与图16仿真频域干涉周期的对比估计出的两个海面目标的水平距离，70～160 Hz频段内目标水平距离在9～592 s内从14.27 km减小到11.00 km，160～230 Hz频段内目标水平距离在9～592 s内从20.35 km增大到22.06 km。

图16 根据实测海洋环境计算的频域干涉周期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给出了9～592 s内AIS系统提供的附近海面所有船舶的水平距离信息，该时间段内实验海域内存在4个目标，目标1的水平距离从16.61 km减小到12.10 km，目标1的船速为12.3 kn、航向为209°(正北为0°，顺时针旋转)，目标1逐步靠近接收点，目标2的水平距离从21.09 km增大到21.73 km，目标2的船速为14.1 kn、航向为214°，目标2逐步远离接收点，目标3和4的水平距离都保持在30 km以上．表3给出了该时间段内根据AIS系统提供的水上移动通信业务标识码(Maritime Mobile Service Identify，简称MMSI)查询得到的附近海面船舶的船长、船宽和总吨，目标1和2的规模远远大于目标3和4。

根据9～592 s内估计海面目标水平距离(表1)和实测海面目标水平距离(表2)的对比，以及目标1、2的船速、航向信息，可以判断产生70～160 Hz频段内干涉条纹的是目标1、产生160～230 Hz频段内干涉条纹的是目标2，如图17所示。图18给出了目标1和2的估计距离与实测距离的对比，目标1和2的距离估计平均误差为11.3%和1.4%，对于目标1的距离估计误差大于对于目标2的距离估计误差。图12中70～160 Hz频段内干涉条纹与160～230 Hz频段内干涉条纹相比，干涉条纹间隔较小较模糊不利于干涉条纹的提取。

表2 实验海域内海面船舶与接收点的水平距离

表3 实验海域内海面船舶的船长、船宽和总吨

5 结论

当海面目标位于深海声场第一影区内，由4条固定的海底一次反射声线干涉叠加，本文给出了干涉结构的近似理论表达式，分析得到在影区内声场频域干涉周期随收发距离的增加而增大、随着接收水听器深度的增加而减小。基于频域干涉周期与收发距离的关系，提出了一种单水听器的被动声源测距方法，利用南海深海海域获得的噪声测量实验数据和AIS数据对方法的有效性进行了验证。相对于吴国清[14]分析浅海近距离(数倍海深)范围内直达声、海面反射声和海底反射声互相干涉引起的谱干涉现象，利用声线直线近似和声速均匀近似几何推导了干涉谱与声源深度、距离的关系，从而实现浅海近距离目标测距测深，本文对于深海声影区4条海底反射声线形成的声场干涉结构进行近似推导，得到声强在频率域仅有两种干涉周期，对于影区海面目标由于频带限制仅可观测到第二种干涉结构，频域干涉周期随距离单调增大，通过匹配声场频域干涉周期实现21 km远距离海面目标的被动测距，利用船舶自动识别系统验证了测距结果。另外，当影区内存在多个声源目标时，不同声源形成的声场干涉结构相互叠加，限制本文所提方法的使用，有待进一步改善和发展这种方法。

图17 实验海域船舶分布与海面目标距离估计的对比(第592 s)Fig.17 The comparison between the practical distribution of vessels and the estimated results of target range

图18 目标1和2的估计距离与实测距离的对比Fig.18 The comparison between the estimated range and the practical range of target 1 and 2

致谢：感谢参与海上实验人员，是他们的辛勤劳动为本文提供可靠的实验数据。

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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。

国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金(海三科2016016)；国家重点研发计划(2016YFC1400103)；国家自然科学基金(61601132，41606116)；福建省自然科学基金(2016J01019)。

翁晋宝(1989—)，男，福建省晋江市人，从事海洋声学研究。E-mail:wengjinbao@tio.org.cn

*通信作者：杨燕明，男，研究员，主要从事海洋声学研究。E-mail:yangyanming@tio.org.cn

P733.23

A

0253-4193(2017)01-0036-10

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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