基于多径到达结构的深海直接区域水下声源被动定位方法

《Marine Geodesy》：Passive localization method for underwater acoustic sources in the deep-sea direct zone based on multipath arrival structure

水下声源定位方法研究：基于直达波与一级海面反射波的角度匹配和时间延迟差联合估计，通过射线理论获取声场传播参数，实验验证在15公里范围内实现深度误差5.5%、距离误差6.2%的定位精度。

　　

摘要

在深海环境中，对于浅层水下声源，直接波区域接收到的信号在远距离接收时表现出明显的多路径到达特性，这可以被用于被动源定位。本文提出了一种通过联合匹配直接波与第一次海面反射波之间的到达角和时间延迟差来估计源深度和距离的方法。到达角是根据射线理论从深海粒子速度场中获得的，而时间延迟差则是从接收信号的自相关函数中提取的。仿真结果表明，在信噪比（SNR）高于10 dB的情况下，可以同时准确估计到达角和时间延迟差，从而利用该方法实现高精度的被动源定位。在固定的源-接收器几何结构下，海底地形和海面粗糙度会显著改变声波传播路径。海底变化会影响直接波和底面相互作用波的传播路径，而海面粗糙度会特别扭曲第一次海面反射波的路径，从而降低匹配场处理中时间延迟差估计的准确性。该方法使用2020年在西太平洋进行的深海声波传播实验数据进行了验证——实验中单个矢量水听器捕获了来自拖曳源的信号——该方法有效估计了15公里范围内浅层水下声源的深度和距离，平均相对误差分别为5.5%（深度）和6.2%（距离）。与传统仅使用到达角或时间延迟差的方法相比，这种联合匹配策略为深海直接波区域的水下声源被动定位提供了一种高效且稳健的解决方案。