可靠聲路徑傳播特性及目標(biāo)定位方法研究現(xiàn)狀*

沈同圣 郜永帥,2 羅再磊

(1 國(guó)防科技創(chuàng)新研究院前沿交叉技術(shù)研究中心 北京 100071)

(2 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著各國(guó)對(duì)海洋開發(fā)力度的加大和深海環(huán)境水聲技術(shù)研究需求的急劇增加，對(duì)于中遠(yuǎn)程距離內(nèi)的深海水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)已成為當(dāng)前水聲技術(shù)研究的熱點(diǎn)。深海可靠聲路徑(Reliable acoustic path,RAP)作為近海底深水區(qū)和海面附近水域之間的一種直達(dá)波傳播路徑，具有聲傳播距離遠(yuǎn)、傳播損失小、傳輸信道穩(wěn)定、低頻環(huán)境噪聲級(jí)低等特點(diǎn)，便于利用深海海底附近的水聽器，實(shí)現(xiàn)對(duì)近海面中近距離目標(biāo)有效而無盲區(qū)的監(jiān)測(cè)，近年來備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究。國(guó)外對(duì)于深海的研究起步早且已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作，相對(duì)而言，我國(guó)在相關(guān)方面的研究起步晚，實(shí)驗(yàn)工作較少，對(duì)深海環(huán)境特征、水聲傳播特性等仍缺少長(zhǎng)期的聲學(xué)觀測(cè)和數(shù)據(jù)積累[1]。因此，深海聲場(chǎng)特性的研究和深海目標(biāo)探測(cè)定位技術(shù)的發(fā)展日益重要，需要迎頭趕上。

1 RAP研究背景及意義

深海水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)隱蔽性好，其攜帶的先進(jìn)水下設(shè)備可對(duì)周邊海洋環(huán)境及目標(biāo)實(shí)施監(jiān)測(cè)。海洋安保需要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自主警戒，各臨海國(guó)家紛紛推出海洋發(fā)展戰(zhàn)略和海洋科技發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)預(yù)警裝備[1]。然而，復(fù)雜海洋環(huán)境背景下的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射聲信號(hào)微弱，僅依靠水聲信號(hào)處理技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位面臨極大的挑戰(zhàn)。此外，深海聲場(chǎng)深度的垂直分布和聲影區(qū)又嚴(yán)重限制聲吶對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)性能，使得傳統(tǒng)上對(duì)安靜型潛艇的探測(cè)變得十分棘手[2]。因此，結(jié)合深海聲傳播自身的特點(diǎn)的目標(biāo)探測(cè)和定位方法成為一種新的思路。

深海聲速梯度中，與海面附近最大聲速相等的深度稱為臨界深度[3]。海面海底作用對(duì)臨界深度以深的聲源輻射的聲信號(hào)影響較小，聲信號(hào)可以傳播到中等距離，認(rèn)為該聲道是“可靠的”，故稱之為可靠聲路徑[4]。典型深海聲速梯度如圖1 所示，RAP環(huán)境下傳播損失和區(qū)域劃分如圖2 所示。由圖2 可以看出，對(duì)應(yīng)于圖1 的聲速梯度情況，當(dāng)聲源位于4200 m 時(shí)，直達(dá)聲和海面反射聲可以覆蓋約0～35 km 的近海面區(qū)域，該范圍內(nèi)近乎不存在聲影區(qū)且傳播損失較小。根據(jù)互易定理[5]，聲源和接收位置互換時(shí)聲場(chǎng)將不會(huì)改變。若探測(cè)設(shè)備放置在臨界深度以深的RAP中，可以對(duì)圖2 中直達(dá)聲與海面反射聲共存區(qū)內(nèi)的近海面目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“無盲區(qū)”監(jiān)測(cè)。此外，探測(cè)區(qū)域三維空間為以探測(cè)設(shè)備深度方向軸對(duì)稱的“碗”，其碗口口徑為海深的5～7 倍。因此，RAP 的上述特性有望提高聲吶系統(tǒng)對(duì)中近距離水下目標(biāo)探測(cè)和定位的性能。

圖1 典型深海聲速梯度圖Fig.1 Typical deep sea sound velocity

圖2 RAP 環(huán)境下的傳播損失和區(qū)域劃分Fig.2 Sound transmission loss and regional division of RAP

2 RAP聲傳播特性研究

Urick[6]提出當(dāng)海洋深處的聲源聲波傳播至中等距離時(shí)，會(huì)形成“穩(wěn)定的聲線路徑”，這是對(duì)RAP概念最早的解釋。1989年-2005年期間，作為北太平洋實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的一部分，Worcester 等[7]利用垂直和水平接收陣列相結(jié)合的方式進(jìn)行低頻、寬頻帶的深海聲波傳播實(shí)驗(yàn)。盡管實(shí)驗(yàn)涉及到RAP 的聲傳播，但是當(dāng)時(shí)并未對(duì)RAP特性進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。RAP 最早應(yīng)用在美國(guó)建立的深海海嘯災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)海嘯的能力，在海嘯監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著重要的作用。2004年發(fā)生的印度洋海嘯促使該系統(tǒng)于2008年升級(jí)為DARTII[8](如圖3 所示)。美國(guó)國(guó)防部從中認(rèn)識(shí)到RAP 傳播損失小、環(huán)境噪聲級(jí)低的特點(diǎn)，研究了分布式潛艇捕獵系統(tǒng)[9]。此外，該系統(tǒng)在第二階段開發(fā)了一種可變形的被動(dòng)式固定聲吶系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)與近海面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水聲通信。Duan 等[10]對(duì)RAP 的物理特性進(jìn)行了分析，并總結(jié)出其4個(gè)特征：

圖3 DARTII 系統(tǒng)示意圖[8]Fig.3 DARTII system diagram[8]

(1)RAP 是陣列(水聽器)接收目標(biāo)聲信號(hào)的直接路徑，海面散射和海底反射影響較小；

(2)當(dāng)陣列(水聽器)放置在臨界深度以深時(shí)接收到的環(huán)境噪聲遠(yuǎn)低于在臨界深度以淺陣列(水聽器)接收到的環(huán)境噪聲；

(3)在中等距離范圍以內(nèi)(40～50 km)，當(dāng)利用RAP監(jiān)聽目標(biāo)時(shí)沒有盲區(qū)；

(4)對(duì)于窄帶聲源被動(dòng)定位，基于多途到達(dá)角的方法在距離方向上的分辨率比在深度方向上的分辨率高。

現(xiàn)今已有的對(duì)于RAP 的環(huán)境噪聲測(cè)量的文章較少，但是其仍對(duì)RAP 的研究提供了不少助力。Gaul 等[11]發(fā)現(xiàn)在臨界深度以下海域的低頻(200 Hz 以下)環(huán)境噪聲比臨界深度以上海域的低頻環(huán)境噪聲低約20 dB，這一現(xiàn)象用Snell 定律解釋為是由遠(yuǎn)處(超過200 km)艦船噪聲無法穿透到臨界深度以下海域造成的。他提出對(duì)于放置在海底的聲源，可以利用RAP 進(jìn)行檢測(cè)，并且當(dāng)陣列處于RAP 附近時(shí)，效果更好。2009年-2011年，美國(guó)將RAP 的聲傳播研究作為實(shí)驗(yàn)的一部分，在菲律賓海先后組織了“PhilSea09”和“PhilSea10”兩次實(shí)驗(yàn)，并有一些研究成果[7,12]。其中，在太平洋的東北部和中北部地區(qū)，由于海洋內(nèi)波、由溫度和鹽度變化引起海洋部分區(qū)域密度相互補(bǔ)償?shù)纫蛩貢?huì)導(dǎo)致小范圍聲速的波動(dòng)；在研究北太平洋中部和東部遠(yuǎn)程深海寬帶聲波傳播時(shí)，發(fā)現(xiàn)即使在深海中，短距離內(nèi)與海底相互作用的聲波明顯地影響接收到的信號(hào)。Kathleen 等[13]利用全深度布放式垂直線列陣(Distributed vertical line array,DVLA)采集到的數(shù)據(jù)，分析了環(huán)境噪聲隨深度變化的趨勢(shì)，結(jié)果如圖4(a)所示。由圖可以看出，100 Hz 以下的頻率范圍內(nèi)，4000 m 以深的環(huán)境噪聲級(jí)顯著降低。同年，Worcester 等[7]利用“PhilSea10”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出另一組環(huán)境噪聲隨深度變化的全年平均值，結(jié)果如圖4(b)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，最深處的環(huán)境噪聲級(jí)相比于近海面的環(huán)境噪聲級(jí)要低10 dB 左右，相比于深海聲道軸附近的環(huán)境噪聲級(jí)甚至要低15 dB左右。這也是RAP 吸引人們關(guān)注的重要因素之一。Shi 等[14]對(duì)巴士海峽附近約3500 m 深的海域進(jìn)行了環(huán)境噪聲的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5 所示。可以看出，隨著頻率的增大，對(duì)應(yīng)的環(huán)境噪聲譜級(jí)有所下降。盡管該實(shí)驗(yàn)未涉及RAP 下的環(huán)境噪聲觀測(cè)，但是對(duì)直達(dá)聲區(qū)環(huán)境噪聲的研究分析仍有重大的意義。

圖5 南中國(guó)海3500 m 處環(huán)境噪聲譜級(jí)隨時(shí)間和頻率的變化[14]Fig.5 Change of ambient noise spectrum level with time and frequency at 3500 m in the South China Sea[14]

2016年，Vincent 等[15]研究了RAP 下分層掃描的可行性，被認(rèn)為是與海底大地測(cè)量的精確定位相結(jié)合的回聲測(cè)深的延伸[16]。2018年，Duan等[17]利用在菲律賓海進(jìn)行的RAP 實(shí)驗(yàn)，提出了基于海底損失(Bottom loss,BL)的反演方法。該方法由位于海底深處的水聽器和一個(gè)攜帶聲源的移動(dòng)船舶組成。通過假設(shè)海底模型使得利用反演結(jié)果模擬的BL與實(shí)測(cè)BL一致。因?yàn)楹茈y獲得海底真實(shí)參數(shù)作為參考，反演的結(jié)果可能會(huì)存在一定誤差。

聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性為基于匹配場(chǎng)的垂直陣定位提供了基礎(chǔ)，同時(shí)也為聲場(chǎng)的空間增益研究提供了必要的參數(shù)，因此關(guān)于RAP 聲場(chǎng)垂直相關(guān)性的研究必不可缺。2013年,Colosi等[18]理論研究了深海垂直相關(guān)半徑隨著頻率和距離的變化規(guī)律。2017年，Li 等[19]利用爆炸聲源對(duì)大深度海洋的垂直相關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，寬帶聲場(chǎng)的垂直相關(guān)系數(shù)主要由聲源深度和信號(hào)中心頻率決定，接收陣列(水聽器)位置和深度的變化對(duì)聲場(chǎng)垂直相關(guān)性影響很小。此外，Qiu 等[20]人基于射線理論分析了部署于RAP 下的水聽器接收的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)。研究表明，RAP 下的垂直線陣能夠?qū)σ欢ň嚯x內(nèi)的近海面聲源實(shí)現(xiàn)有效的探測(cè)。

以上研究就RAP 的聲傳播路徑、覆蓋區(qū)域范圍、傳播損失、垂直相關(guān)性等特點(diǎn)展開工作，大量的研究表明，RAP的物理特性對(duì)于深海中近距離目標(biāo)的探測(cè)與定位極為有利，結(jié)合物理特性開展水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)、定位方法研究可行性高。但是國(guó)內(nèi)針對(duì)RAP的研究仍缺乏大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，該領(lǐng)域的研究仍有較大的發(fā)展空間。

3 基于RAP的目標(biāo)定位方法

現(xiàn)階段的水聲目標(biāo)定位方法大致可以分為傳統(tǒng)水聲定位方法與智能水聲定位方法。其中，傳統(tǒng)目標(biāo)定位方法是在人為建立的觀測(cè)模型與聲傳播固有特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，而智能水聲定位方法建立在大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上，利用數(shù)據(jù)集進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，從而估計(jì)目標(biāo)位置。本節(jié)分別從多途到達(dá)結(jié)構(gòu)、頻域干涉結(jié)構(gòu)、匹配場(chǎng)等方面的傳統(tǒng)定位方法和智能水聲定位方法，概述當(dāng)前RAP下目標(biāo)被動(dòng)定位方法的研究進(jìn)展。

3.1 基于RAP的傳統(tǒng)定位方法

3.1.1 RAP下基于多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的定位方法

RAP 的顯著物理特性之一就是水聽器接收聲信號(hào)的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)。在海洋聲學(xué)應(yīng)用中，多途時(shí)延值的測(cè)量有助于聲源定位、海洋聲學(xué)層析成像和海底聲學(xué)反演，并且利用小孔徑陣列便可以獲得明顯的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)，因而受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。深海聲源定位及其深度估計(jì)的常規(guī)方法通常都利用水聽器陣列接收聲源信號(hào)的多途時(shí)延值、俯仰角等信息與仿真結(jié)果進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。然而，并非所有的觀測(cè)平臺(tái)都能利用匹配多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行目標(biāo)定位。因此，針對(duì)不同的觀測(cè)平臺(tái)，研究學(xué)者提出了與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理方法和目標(biāo)定位算法。

(1)針對(duì)單陣元情況，Yang 等[21]提出了基于時(shí)延互相關(guān)函數(shù)的定位方法。該方法利用不同位置下聲源輻射的直達(dá)聲和海面反射聲聲場(chǎng)的互相關(guān)函數(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，且主要的限制來源于接收信號(hào)信噪比的大小和聲壓互相關(guān)的時(shí)間增量的選擇，模型誤差對(duì)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)誤差起較大作用。此外，Duan 等[22]提出了基于直達(dá)波-海面反射波時(shí)延的運(yùn)動(dòng)聲源定位方法。該方法可以僅利用較為穩(wěn)定的D-SR 峰值信息就可以準(zhǔn)確估計(jì)運(yùn)動(dòng)聲源的距離、深度和速度，但是對(duì)時(shí)延分辨率要求較高且目標(biāo)必須為運(yùn)動(dòng)的。孫梅等[23-24]研究了水平、垂直振速聲能的傳播損失與聲線掠射角、聲源距離之間的變化關(guān)系，提出了一種基于矢量水聽器的水平與垂直振速的能量差估計(jì)聲源距離的方法。結(jié)果表明，該方法對(duì)近距離目標(biāo)測(cè)距效果良好。盡管該方法測(cè)距精度受方位估計(jì)精度影響較大，但其利用聲壓振速能量差的方法為RAP 下聲矢量信號(hào)的處理提供了思路。

(2)針對(duì)雙陣元的情況，楊坤德等[9]提出了基于多途時(shí)延差的雙陣元深海匹配定位方法。該方法利用兩個(gè)水聽器接收信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)得到多途造成的時(shí)延差信息，與構(gòu)建的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匹配從而估計(jì)聲源的位置。該算法在整個(gè)過程中需要人為地提取多途時(shí)延差信息，不夠智能化。之后，Lei 等[25]提出了基于雙水聽器互相關(guān)函數(shù)匹配的目標(biāo)定位方法。該方法利用稀疏重構(gòu)來獲取信號(hào)互相關(guān)函數(shù)的峰值結(jié)構(gòu)，克服了因?yàn)閷?shí)際信號(hào)帶寬有限導(dǎo)致互相關(guān)函數(shù)中距離較近的兩個(gè)峰值結(jié)構(gòu)疊加的情況，降低了定位旁瓣從而提高定位精度。

(3)針對(duì)垂直陣列的情況，Duan 等[26]提出了一種基于多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的加權(quán)子空間擬合匹配場(chǎng)定位方法。該方法利用直達(dá)波與海面反射波到達(dá)時(shí)延在頻域上出現(xiàn)明顯能量周期振蕩這一特性，分析出頻域振蕩周期與聲源的深度有關(guān)，從而對(duì)聲源深度進(jìn)行估計(jì)。王夢(mèng)圓等結(jié)合深海直達(dá)聲區(qū)聲傳播特性，針對(duì)直達(dá)聲和海底-海面反射聲到達(dá)時(shí)延差隨距離變化提出了一種聲源距離估計(jì)方法[27]；針對(duì)直達(dá)聲與海面一次反射波到達(dá)時(shí)延差隨聲源深度變化特性提出了一種距離深度聯(lián)合的目標(biāo)定位方法[28]。Li等[29]根據(jù)“多徑時(shí)延比”提出了一種深海垂直陣目標(biāo)深度估計(jì)方法。對(duì)于基于垂直陣的RAP 目標(biāo)定位方法而言，其利用了環(huán)境與目標(biāo)在時(shí)域與空間上的差異，計(jì)算簡(jiǎn)便且垂直陣布放回收機(jī)動(dòng)靈活，目前仍被廣泛使用。

上述方法都與接收聲信號(hào)的多徑到達(dá)結(jié)構(gòu)有關(guān)，研究?jī)?nèi)容和側(cè)重點(diǎn)集中在直達(dá)聲和海面一次反射聲到達(dá)角度、時(shí)延差等。由于海底反射的聲信號(hào)到達(dá)振幅較弱且時(shí)間分布很廣，通常無法獲得。對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)而言，直達(dá)聲與海面一次反射聲到達(dá)時(shí)延差較小且難以分辨，聲信號(hào)到達(dá)俯仰角隨距離的增加變化緩慢，這就導(dǎo)致對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)，利用多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)定位方法近乎失效。此外，RAP下基于多途到達(dá)時(shí)延的目標(biāo)定位方法對(duì)聲源深度和聲源距離變化比較敏感，而獲取聲信號(hào)的時(shí)延信息對(duì)信號(hào)帶寬和信噪比要求較高，適用于對(duì)高信噪比的目標(biāo)進(jìn)行定位，故基于多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的深海RAP定位方法仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3.1.2 RAP下基于頻域干涉條紋的定位方法

RAP環(huán)境下有一種被稱為“RAP干涉條紋”的條紋現(xiàn)象：聲源做水平運(yùn)動(dòng)并發(fā)射寬帶信號(hào)，將布放在臨界深度以下海域的單個(gè)水聽器接收到的信號(hào)頻譜隨聲源距離的變化用偽彩圖表示，可以看到明暗相間的條紋[4]，仿真用的水文環(huán)境如圖6 所示，結(jié)果如圖7 所示。圍繞RAP 下的這種干涉現(xiàn)象，許多專家學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

圖6 仿真時(shí)的聲速梯度及海底參數(shù)Fig.6 The SSP and seabed parameters in simulation

圖7 頻域干涉結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Frequency domain interference structure

2013年，McCargar等[30]研究發(fā)現(xiàn)由直達(dá)聲和海面反射聲作用的頻域干涉周期和聲源的深度有關(guān)。基于這一規(guī)律提出了一種基于修正傅里葉變換的單頻信號(hào)目標(biāo)深度估計(jì)方法并能區(qū)分表面聲源和水下聲源。之后，Kniffin 等[31]對(duì)該上述測(cè)深方法的性能及限制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)海面起伏對(duì)接收聲場(chǎng)的空間干涉結(jié)構(gòu)影響較大，對(duì)判決結(jié)果造成較大影響。盡管該方法仍處于理論仿真階段，但這種深度判別技術(shù)不需要了解具體的海洋環(huán)境便可以對(duì)聲源深度進(jìn)行判決，對(duì)辨別表面聲源和對(duì)水下聲源的探測(cè)都有指導(dǎo)意義。2017年，李輝[2]利用傅里葉變換將頻域干涉振蕩周期與目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度信息和目標(biāo)深度信息關(guān)聯(lián)起來，提出了基于深海大深度聲場(chǎng)互相關(guān)特性的單水聽器目標(biāo)定位方法。此外，Duan 等[32]使用簡(jiǎn)正波的射線描述方法，結(jié)合“Lloyd Mirror”干涉原理揭示了勞埃德鏡中明暗條紋形成的機(jī)理，提出了一種定量計(jì)算深度-距離干涉條紋分布的方法。Qi 等[33]提出了一種基于簡(jiǎn)單的虛源理論表達(dá)式來描述從水下聲源到近海面的直達(dá)聲和海面反射聲干涉結(jié)構(gòu)的方法，并利用放置在海底附近的單矢量水聽器對(duì)聲源深度進(jìn)行估計(jì)。

翁晉寶等[34]指出，深海直達(dá)聲區(qū)內(nèi)的對(duì)干涉結(jié)構(gòu)主要貢獻(xiàn)的是聲源輻射的直達(dá)聲與海面一次反射聲，頻率最小干涉周期為直達(dá)聲和海面一次反射聲之間的時(shí)延差的倒數(shù)。隨著目標(biāo)距離的增加，時(shí)延差逐漸減小，干涉周期增加，從而影響估計(jì)精度。此外，干涉條紋易受環(huán)境因素的影響導(dǎo)致干涉條紋模糊甚至被背景噪聲覆蓋，進(jìn)而影響后續(xù)處理。針對(duì)這種情況，李浩琦等[35]利用了Gabor 濾波的方法對(duì)干涉條紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)去噪，仿真結(jié)果表明，該方法明顯地增強(qiáng)了條紋的清晰度，有利于對(duì)目標(biāo)的參數(shù)提取。唐浩等[36]提出一種基于變窗長(zhǎng)的短時(shí)傅里葉變換的干涉條紋增強(qiáng)方法，實(shí)驗(yàn)表明，該方法與固定窗長(zhǎng)相比所獲得的混響干涉結(jié)構(gòu)更加清晰。因此，從增強(qiáng)干涉條紋方面入手，降低背景噪聲的影響，亦不失為一種提高目標(biāo)信噪比的方法。綜上所述，利用聲場(chǎng)頻域干涉結(jié)構(gòu)對(duì)遠(yuǎn)程低信噪比的目標(biāo)進(jìn)行定位的相關(guān)技術(shù)仍需進(jìn)一步的研究。

3.1.3 其他RAP下的傳統(tǒng)目標(biāo)定位方法

20 世紀(jì)70年代至今，水聲信號(hào)處理方法的一個(gè)重要進(jìn)展就是將水聲物理與信號(hào)處理方法相結(jié)合，產(chǎn)生了匹配場(chǎng)處理(Matched-field processing,MFP)技術(shù)。1985年，F(xiàn)izell 等[37]在北冰洋水域首次利用MFP 方法進(jìn)行聲源遠(yuǎn)距離定位并取得較好效果，由此MFP 技術(shù)逐漸成為水聲信號(hào)處理研究的熱點(diǎn)課題。RAP 下的目標(biāo)被動(dòng)定位可以通過使用信號(hào)的到達(dá)時(shí)延或聲強(qiáng)的MFP 方法實(shí)現(xiàn)。Lei等[38]通過匹配兩個(gè)水聽器接收信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)輸出來定位聲源位置。然而，該方法要求兩個(gè)同步水聽器之間要有很大的間距。結(jié)合聲強(qiáng)對(duì)聲源深度和頻率的變化非常敏感這一特征，Yang 等[39]提出了一種在深海中利用非同步垂直陣列估計(jì)聲源深度和距離的方法。西太平洋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以利用非同步垂直陣列對(duì)固定聲源進(jìn)行定位。

盡管MFP 方法被廣泛研究，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。最突出的問題在于海洋信道是時(shí)變空變的，并且信道的傳輸函數(shù)類似于一個(gè)“梳狀濾波器”[40]，這就導(dǎo)致仿真聲場(chǎng)和測(cè)量聲場(chǎng)之間并非完全一致，從而影響匹配場(chǎng)定位算法的性能。為了解決失配問題，環(huán)境聚焦MFP 和貝葉斯匹配場(chǎng)定位等一些改進(jìn)的MFP 方法孕育而生，但是這些方法又增加了實(shí)時(shí)處理的難度，不便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

此外，當(dāng)目標(biāo)輻射聲信號(hào)較弱時(shí)，基于RAP 的被動(dòng)探測(cè)作用距離變短甚至無法檢測(cè)到目標(biāo)。基于這一點(diǎn)，劉雄厚等[41]提出一種基于RAP 的主動(dòng)探測(cè)方法，并對(duì)其探測(cè)性能進(jìn)行初步評(píng)估和分析，根據(jù)主動(dòng)聲吶方程將回聲余量作為主動(dòng)探測(cè)方法性能預(yù)測(cè)的指標(biāo)，建立了基于RAP的主動(dòng)探測(cè)性能評(píng)估模型，為RAP下的聲吶探測(cè)提供了一個(gè)思路。但是，該方法所建立的評(píng)估模型僅考慮了噪聲占優(yōu)情況下基于大深度的主動(dòng)聲吶探測(cè)性能，忽略了海面混響、深海信道起伏、噪聲場(chǎng)起伏等在實(shí)際探測(cè)時(shí)所面臨的不利因素。2014年，王鴻吉等[42]利用RAP的聲傳播特性，對(duì)水雷聲引信系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使得水雷布置在深海區(qū)域也可以穩(wěn)定地對(duì)其進(jìn)行引信控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。之后，他利用時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)，研究提出了一種基于水平線陣和垂直線陣的目標(biāo)定位方法[43-44]。

現(xiàn)有RAP 下的傳統(tǒng)目標(biāo)定位方法或多或少都結(jié)合深海聲信號(hào)的傳播特性開展，研究方法多基于標(biāo)量垂直陣和單矢量水聽器。標(biāo)量垂直陣因自身指向性的缺陷，只能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距和測(cè)深，無法進(jìn)行目標(biāo)的方位估計(jì)從而無法對(duì)目標(biāo)絕對(duì)位置進(jìn)行定位；單矢量水聽器可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)向，但是無法抑制信號(hào)的多途效應(yīng)。矢量水聽器陣列既具有良好的抗多途效果，又可進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，因此RAP 下利用矢量垂直線列陣進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和定位會(huì)成為今后深海研究發(fā)展的一個(gè)熱門方向。

3.2 基于RAP的智能定位方法

水聲環(huán)境中，聲源激發(fā)的聲場(chǎng)隨距離、深度和頻率的改變而改變，對(duì)應(yīng)的信道響應(yīng)也不同。此外，不同距離的聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)也不盡相同。因此，需要陣列信號(hào)的采樣協(xié)方差矩陣等包含水聲信號(hào)特征的輸入進(jìn)行訓(xùn)練[45]，為智能水聲定位算法的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

機(jī)器學(xué)習(xí)早在20 世紀(jì)90年代就被應(yīng)用于水聲目標(biāo)被動(dòng)定位。1991年，Steinberg 等[46]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)均勻介質(zhì)中的點(diǎn)聲源進(jìn)行定位。同年，Ozard等[47]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于MFP 方法中，仿真研究了對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量并對(duì)其深度進(jìn)行判決。之后，一些學(xué)者研究了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的海洋聲傳播特性和海底參數(shù)反演。總之，由于計(jì)算條件的限制且缺乏高效的訓(xùn)練算法，在之后較長(zhǎng)的一段時(shí)間，機(jī)器學(xué)習(xí)在水聲應(yīng)用方面發(fā)展較為緩慢。

隨著研究的深入和近些年機(jī)器學(xué)習(xí)理論和技術(shù)的進(jìn)步，加之計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員又將目光聚焦到智能水聲定位方法上，相關(guān)研究和文章也層出不窮。因RAP 的研究開展較晚，目前RAP 下的智能水聲定位方法研究仍然較少。2017年，Niu 等[48-49]通過海試實(shí)測(cè)聲場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了一類基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的水下聲源定位方法的定位效果，2018年，Wang 等[50]將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集，提出了基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲源定位方法。Huang 等[51]利用仿真的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的定位。2019年，Liu等[52]在深海直達(dá)聲區(qū)內(nèi)利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多任務(wù)學(xué)習(xí)方法對(duì)聲源距離進(jìn)行估計(jì)。此外，Liu 等[53]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深海聲源定位方法，該方法將聲源定位問題作為回歸問題進(jìn)行求解，所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由信號(hào)的歸一化協(xié)方差矩陣作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練，從而預(yù)測(cè)聲源位置。Liu 等[53]利用西太平洋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明算法在一定的范圍內(nèi)具有較好的定位性能。

對(duì)于RAP 下的智能水聲定位方法而言，機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來提取數(shù)據(jù)特征，但是獲得這些數(shù)據(jù)既費(fèi)時(shí)又昂貴。對(duì)此，一些學(xué)者提出可以構(gòu)建海洋環(huán)境聲場(chǎng)模型來克服缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)這一問題。然而，這種方法的準(zhǔn)確性取決于構(gòu)建的環(huán)境模型聲場(chǎng)和實(shí)際海洋聲場(chǎng)的一致程度，而且這種方法可能只在與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)境相似的區(qū)域有效。對(duì)于不熟悉的區(qū)域，既沒有足夠的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)，也沒有適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的環(huán)境聲場(chǎng)模型生成樣本數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，這也是現(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在水聲領(lǐng)域面臨的問題。此外，如何優(yōu)化選擇各種深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并有效融合RAP的物理特性、如何有效利用典型海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)等都是RAP 機(jī)器學(xué)習(xí)智能定位方法研究方面亟待解決的問題。盡管智能水聲定位方法目前存在諸多問題，但機(jī)器學(xué)習(xí)方法在水聲被動(dòng)定位中的應(yīng)用潛力和工程化應(yīng)用前景不可忽視，該研究方向正處于快速發(fā)展時(shí)期，并深刻影響著水聲信號(hào)處理領(lǐng)域的發(fā)展方向。

4 結(jié)論

隨著水聲技術(shù)研究的不斷深入，水聲物理、信號(hào)處理與海洋環(huán)境的緊密結(jié)合是水聲技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[54]。RAP作為重要的深海聲道之一，其聲傳播特性及物理特性為深海中近程目標(biāo)的無盲區(qū)探測(cè)和定位提供顯著優(yōu)勢(shì)。正如前文所言，現(xiàn)有的研究主要是揭示RAP 下聲源激發(fā)聲場(chǎng)的聲學(xué)物理機(jī)理和變化規(guī)律，結(jié)合時(shí)-頻域信號(hào)處理的方法進(jìn)行目標(biāo)定位，但是仍存在一些亟待解決的問題。例如，如何在一定的海洋環(huán)境失配情況下，基于深海RAP特有的聲場(chǎng)傳播特性及多途到達(dá)結(jié)構(gòu)特征，抑制水面多目標(biāo)的強(qiáng)干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下弱目標(biāo)的探測(cè)及有效定位是重點(diǎn)及難點(diǎn)。針對(duì)RAP 機(jī)器學(xué)習(xí)智能定位方法，如何研究環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的深海環(huán)境聲場(chǎng)模型，解決深海RAP 聲數(shù)據(jù)樣本少，提高機(jī)器學(xué)習(xí)在低信噪比情況下的適用性等問題。所以，基于RAP 的目標(biāo)定位需要進(jìn)一步向低頻、高處理增益、環(huán)境適配性好等方向發(fā)展。相關(guān)側(cè)重點(diǎn)可以從以下幾個(gè)方面關(guān)注：(1)研究RAP 下基于矢量水聽器陣列的目標(biāo)定位方法,抑制強(qiáng)干擾并對(duì)弱目標(biāo)進(jìn)行定位。矢量水聽器陣列除了擁有聲壓水聽器陣的優(yōu)點(diǎn)外，還可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行方位估計(jì)、通過聲壓振速聯(lián)合處理抑制各項(xiàng)同性噪聲、相同陣列孔徑下可對(duì)更遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與定位。此外，RAP 下的標(biāo)量垂直陣目標(biāo)定位技術(shù)已較為成熟，這就為矢量垂直陣的相關(guān)應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。(2)研究復(fù)雜海洋環(huán)境中不同角度扇區(qū)聲場(chǎng)頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)的各向異性，從而發(fā)展可以突破聲場(chǎng)縱向相關(guān)半徑的大孔徑陣列處理技術(shù)與弱目標(biāo)信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)[55]。(3)研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)的環(huán)境自適應(yīng)的目標(biāo)探測(cè)定位技術(shù)，發(fā)展環(huán)境適應(yīng)性更高的定位方法等。