声学滑翔机联合的深海水下声源定位_吴禹沈.pdf

声学滑翔机联合的深海水下声源定位*吴禹沈1,2秦继兴1,2李整林3吴双林1,2王梦圆1顾怡鸣1(1中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190)(2中国科学院大学物理学院北京100190)(3中山大学海洋工程与技术学院珠海519000)2022 年 4 月 7 日收到2022 年 8 月 2 日定稿摘要为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在 100km 范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于 200m 深度的声源,距离估计均方根误差为 2.5km,相对误差小于 4%,方位估计均方根误差为 2.4。关键词深海,水下滑翔机,传播损失,波形匹配,声源定位PACS 数数43.30,43.60Source localization based on two underwater acoustic gliders in deep waterWUYushen1,2QINJixing1,2LIZhenglin3WUShuanglin1,2WANGMengyuan1GUYiming1(1State Key Laboratory of Acoustics,Institute of Acoustics,Chinese Academy of SciencesBeijing100190)(2College of Physical Science,University of Chinese Academy of SciencesBeijing100190)(3School of Ocean Engineering and Technology,Sun Yat-sen UniversityZhuhai519000)ReceivedApr.7,2022RevisedAug.2,2022Abstract Ajointunderwateracousticlocalizationmethodbasedonacousticgliderisproposedtoverifythefeasibilityofmultipleglidersforrangeandorientationestimationofunderwatersources.UsingthehydrologicandacousticdataacquiredbyglidersintheeasternIndianOcean,thebroadbandpulsemultiple-pathpropagationcharacteristicalongthedistanceisanalyzed.Arangeestimationmethodforsoundsourcesbasedonpulsewaveformmatchingusingasinglehydrophoneisproposed.Forasourcewithanunknownlocation,thestructureofthepulsewaveformcanbeobtainedfromtheexperiment.Accordingtotheenvironmentalinformationacquired,thecopyfieldforthestructureofpulsewaveformatthedifferentrangesisnumericallycalculated.Aftertheprocessofcorrelatingtheexperimentalandsimulationsignals,therangeestimationisrealizedcorrespondingtothemaximumvalueofthecorrelationcoefficient.Basedonthis,rangeandorientationestimationofunderwatersourcesareachievedthroughthecollaborationoftwounderwatergliders.Theresultsshowthatwithin100km,therangeestimationcanbeachievedbythesingleacousticgliderandtherearestillsomepointsoflargeestimationerror.Thecollaborationoftwounderwaterglidersisusedtoimprovetheaccuracyofrangeestimation.Forthesourcedepthof200m,therootmeansquareerror(RMSE)ofrangeandorientationestimationis2.5kmand2.4respectively.KeywordsDeepwater,Underwaterglider,Transmissionloss,Waveformmatching,Sourcelocalization*国家自然科学基金项目(11874061)和中国科学院青年创新促进会项目资助通讯作者:秦继兴,第48卷第3期声学学报Vol.48,No.32023年5月ACTAACUSTICAMay,2023DOI:10.15949/ki.0371-0025.2023.03.005引言海洋环境复杂多变,导致水下声场特性通常存在时空变化,给目标探测和水声通信等实际应用带来诸多不利影响。反之,特定条件下的声场特征也能反映出水下目标和海洋环境的信息1。因此充分利用海洋声场特性,可实现对水下声源的定位。近年来发展了多种声源定位手段,主要包括匹配场方法、基于多途到达结构方法,基于声场干涉结构方法等,其中匹配场定位方法最为经典2。在匹配场定位方法中,将数值计算的拷贝声场和实际测量声场进行匹配处理,进而实现声源定位。Westwood3在墨西哥湾 4500m 深海进行了匹配场定位实验,实现了 43km 内的声源定位。李整林等4利用垂直阵接收到的宽带信号进行匹配定位,结果表明相比于水平海底模型,考虑海底斜坡的影响后定位精度得到很大改善。Song 等5将 CLEAN算法引入到匹配场过程,数值计算和实验数据表明定位结果得到了明显提升。谢亮等6提取接收信号中各簇脉冲到达时间和幅值等特征参数,进而对特征参数开展匹配搜索实现了单水听器水下声源定位。吴祖勇等7基于垂直阵列接收信号提出了脉冲波形匹配的声源测距方法,该方法不受海域的限制,在复杂斜坡海底环境下的距离估计误差小于 7%。在近年的研究中,利用声场干涉结构和多途到达结构的深海声源定位方法被广泛关注。McCargar 等8分析了直达波与海面反射波干涉的周期与声源深度的关系,提出了一种基于修正傅里叶变换的单频信号定深方法。Cockrell 等9利用一个相对声源径向运动的单水听器,通过声强谱估计波导不变量,进而实现目标测距。翁晋宝等10通过分析频域声场的干涉周期特性,利用单水听器实现了声影区声源的测距和定深,并在实验中验证了该方法的有效性。Wang 等11分析南海直达声区的脉冲到达结构,利用直达波和海底海面反射波的时延差,对直达声区水下目标进行了距离估计。吴俊楠等12研究了深海直达声区的方位分裂现象,并利用海底反射路径的到达角,实现近水面声源距离估计。水下滑翔机作为一种新型的水下观测平台,在海洋环境和声学测量方面具有很大的应用潜力。水下滑翔机通过调节油泵使油液在油箱和外皮囊之间流动,从而改变自身浮力,实现在海水中的下潜与上浮,同时通过移动重块实现姿态的调整。加载了水听器的水下声学滑翔机可实现声学信息和海洋环境信息的同步获取,具有低能耗、低噪声、重复利用、可长时间观测等特点。同时滑翔机可进行多机协同观测,用于水文观测、目标识别和追踪等,在海洋环境的精密化观测中具有广阔的应用前景13-15。Jiang等16将水下滑翔机用于南海海域的声学观测和目标探测,在滑翔机首尾部分别放置一个水听器,利用其接收的声信号计算传播损失,并进行了目标方位估计。Ksel 等17利用水下声学滑翔机研究海洋哺乳动物的种群密度,通过分析其搭载的声学系统记录的数据进行目标方位角检测和估计,实现了哺乳动物的跟踪。吴禹沈等18分析了水下滑翔机的自噪声谱级,并利用脉冲多途到达时延差,实现了第一影区声源目标的测距和定深。王超等19在恶劣海况下开展了基于水下声学滑翔机的目标探测试验,在目标探测距离、方位估计精度和3dB 波束宽度方面均取得了较好结果。本文利用 2021 年东印度洋北部海域春季实验中水下声学滑翔机获取的声学数据,提出利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,并联合两台滑翔机进行解算,实现水下声源的距离和方位估计。使用单台滑翔机能够估计声源的距离,联合两台滑翔机可完成声源距离和方位的二维定位。研究结果表明该方法能够对声源实现有效定位,滑翔机的组网协同为水下声源定位与追踪提供一种新的解决方案。1 实验概况xy2021 年 4 月,声场声信息国家重点实验室在东印度洋北部海域开展了一次深海声学综合实验,实验中使用 J15 和 J16 水下声学滑翔机对声学数据和水文数据进行了同步测量,滑翔机自重 65kg,长度2m,负载能力 3kg,巡航速度 0.3m/s,最大下潜深度为 1000m,可通过 GPS、压力传感器和高度计进行导航20。海上作业方式如图 1(a)所示,“海翼号”水下滑翔机除了加载 CTD 之外,还加载了单通道声学记录系统(USR)。USR 水听器灵敏度为170dB,采样率是 48kHz。为便于说明,在下文以 O2 点作为坐标原点,分别以正东和正北为轴和轴正方向,图 1(b)给出了“实验 1 号”船和水下滑翔机运动轨迹图,其中黑色圆点为“实验 1 号”船的运动轨迹;星号为滑翔机 J15 和 J16 的入水点及出水点位置;背景为海深图,海深数据来自于 ETOPO1 数据库,该数据库的分辨率为 1,融合了众多全球和区域的数据集,包含了大陆的地势起伏和海洋中的水深数据21。“实验1 号”船在 O2 点布放了潜标垂直阵、J15 和 J16 两台水下滑翔机后,沿声传播测线自东向西航行,每隔438声学学报2023年3min 交替投放标定深度为 50m 和 200m、爆炸当量为 1kgTNT 的宽带声源。水下滑翔机 J16 沿着设计路线自南向北运动,水下滑翔机 J15 则关闭舵机,无动力随海流运动。图 2 给 出 了 声 传 播 测 线 方 向 上 距 离 O2 点100km 范围内实验测量的海深和数据库获取的海深数据对比,数据库数据与实测海深数据吻合较好,平均海深约为 3720m。同时,从图 1(b)中的实验区域数据库海深变化可以看出,实验区域西侧地形较为平坦。实验期间测得的海水声速剖面如图 3 所示,声道轴深度大约位于 1495m,最小声速为 1493m/s.海底附近的海水声速为 1518m/s,小于海表面处的声速 1543m/s,为典型的非完全声道。1490150015101520153015401550声速(m/s)05001000150020002500300035004000深度(m)图3实验期间海域测量的声速剖面2 实验数据处理 2.1滑翔机水下轨迹推算由于受到海流等因素作用,滑翔机在水下工作时并非沿着直线运动。由于无法实现水下实时通讯,仅能在浮出水面后与卫星进行通讯,因此如何推算滑翔机的水下运动轨迹是声源定位的一个重要前提。本文利用水下滑翔机获取的流速和航向等信息,对滑翔机运动轨迹进行推算,进而得到滑翔机接收声信号时刻相对于声源的距离18。图 4 给出了实验期间滑翔机 J15 和 J16 实际出水下滑翔机宽带爆炸声源大深度测深仪“实验 1 号”船“实验 1 号”船O2 点x(km)y(km)1601208040040 30 10 10 30 50 706000400020000(b)(a)mJ15J16图1实验设备布放示意图及运动轨迹(a)实验设备布放示意图;(b)“实验 1 号”船和水下滑翔机运动轨迹图020406080100距离(km)05001000150020002500300035004000深度(m)实测ETOPO1图2声传播路径上的海深变化010203040506070工作剖面序号(b)(a)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0距离误差(km)0102030405060工作剖面序号012345678距离误差(km)图4滑翔机实际出水位置与不考虑海流影响时推算的出水位置距离误差(a)滑翔机 J15;(b)滑翔机 J163期吴禹沈等:声学滑翔机联合的深海水下声源定位439水位置与无海流下出水位置的距离误差,J15 距离误差较小,但 J16 距离误差相对较大,这是由于 J15 随流运动,而 J16 沿着预定轨迹运动需克服海流,说明必须进行海流修正以获取滑翔机较为准确的水下位置。2.2声信号处理s(t)Xi将水听器接收到的声信号记为,对其进行傅里叶变换得到信号的频谱,并在中心频率的 1/3 倍频程内取平均,可以得到窄带信号的平均能量为E(f0)=2F2s1n2n1+1n2i=n1|Xi|2,(1)f0Fsn1n2式中,为中心频率,为采样率,和分别为下限和上限频率对应的频点数。声传播损失实验值可以表示为TL(f0)=SL(f0)(10lg|E(f0)|b),(2)SL(f0)b式中,为爆炸声信号声源级,为水听器的灵敏度。3 声传播损失分析下文将使用脉冲波形结构匹配进行声源定位,需要利用海洋环境参数数值计算得到的拷贝声场,而在实验海域未进行海底采样,因此无法直接确定海底参数。本节将数值计算的传播损失与实验结果进行对比,验证选取海底参数的合理性,进而通过脉冲波形匹配实现声源距离估计。实验区域的声场特性仿真以滑翔机 J15 为例,J15 随海流运动,信号接收时刻滑翔机位置距离原点 O2 较近。使用抛物方程近似的声场模型 RAM-PE22进行数值计算,根据获取的环境信息设置仿真参数,声源中心频率为200Hz,声速剖面如图 3 所示,海底地形如图 2 所示。海底选取双层海底模型,其中沉积层厚度为 20m,dB/海底沉积层声速和密度分别为 1580m/s 和 1.6g/cm3,无限大基底的声速和密度分别为1700m/s 和1.8g/cm3,沉积层和基底的衰减系数均为 0.123。图 5 给出了声传播损失随深度和距离的二维分布,声源深度分别为 50m 和 200m,图中星号表示爆炸声传播信号接收时刻水下滑翔机距离声源的相对位置,滑翔机最大下潜深度为 1000m,滑翔机信号接收时刻位置成“V”型分布。在 5560km 的距离范围内,由于投弹设备故障未进行声源投放。当声源深度为 50m 时,声波与海底相互作用频繁,在 2040km 附近形成海底反射会聚区24,声能量随距离衰减较快。当声源深度为 200m 时,在 60km 附近形成第一会聚区,爆炸声传播信号接收时刻水下滑翔机位置多数位于声影区范围内。为了更为直观反映实验结果与模型计算结果的差别,利用式(2)计算滑翔机 J15 在不同深度接收信号的传播损失,图 6 和图 7 分别给出了声源深度50m 和 200m 的传播损失,由于滑翔机的上浮下潜运动,使得接收信号时刻滑翔机所处深度不固定,导致在同一深度上接收到的声信号较少,因此选取接收深度上下 50m 范围内的信号,作为该设定深度接收到的信号,计算得到对应的传播损失。可以看出,不同声源深度下各个设定接收深度实验结果与仿真结果趋势一致,符合得较好,因此该海底声学参数适用于研究海域,可利用其计算拷贝声场。4 水下声源定位 4.1基于脉冲波形匹配的声源距离估计水下声学滑翔机通过改变自身重力和浮力,在不同深度和距离处接收脉冲信号,对应不同的多途到达结构。考虑到水下滑翔机的工作特性,本文通05001000150020002500深度(m)300035006065707580859095100(a)(b)40000204060距离(km)8010005001000150020002500深度(m)30003500606570758085909510040000204060距离(km)80100图5不同声源深度下数值计算的传播损失(a)声源深度 50m;(b)声源深度 200m440声学学报2023年过波形匹配方法实现单水听器水下声源测距。首先在声源深度已知的条件下,利用获取的海洋环境数据,进行数值计算得到拷贝声场,然后与水下滑翔机的接收信号进行波形匹配,实现水下声源距离估计。利用 RAM-PE 模型计算得到 100km 范围内的信号拷贝声场,选择声源中心频率为 200Hz,带宽为100Hz,频率间隔为 0.1Hz,对应的时间窗长度为f(t)S()10s。由于信号接收时刻水下滑翔机和声源两点之间的连线不与声传播测线完全重合,因此考虑到实验区域地形和拷贝声场的环境适用性,在仿真时使用水平不变海底代替微小变化起伏的海底,其他仿真参数与上节一致。设发射信号形式为,其频谱为,则接收点的信号形式可以表示为p(r,z,t)=12S()g(r,z,)eitd,(3)020406080100距离(km)020406080100距离(km)020406080100距离(km)45(a)(b)(c)50556065707580859095100仿真结果实验数据仿真结果实验数据仿真结果实验数据505560657075808590951004550556065707580859095100传播损失(dB)传播损失(dB)传播损失(dB)图6声源深度 50m 不同接收深度实验与仿真计算的传播损失(a)接收深度 200m;(b)接收深度 400m;(c)接收深度700m405060708090100455055606570758085909510050556065707580859095020406080100距离(km)020406080100距离(km)020406080100距离(km)传播损失(dB)传播损失(dB)传播损失(dB)仿真结果实验数据仿真结果实验数据仿真结果实验数据(a)(b)(c)图7声源深度 200m 不同接收深度实验与仿真计算的传播损失(a)接收深度 200m;(b)接收深度 400m;(c)接收深度700m3期吴禹沈等:声学滑翔机联合的深海水下声源定位441g(r,z,)其中,为信道传输函数。当考虑特定带宽时,式(3)可改写为p(r,z,t)=12maxminS()g(r,z,)eitd,(4)对应频谱可表示为S()=1,150 Hz/2250 Hz,0,其他频率.(5)以滑翔机 J15 为例,实验信号和仿真信号对比如图 8 和图 9 所示,其中实验信号为带通滤波器结果。从图中可以看出,尽管模型存在一定的失配,仿真波形基本上包含了主要的多途到达结构,在不同距离和声源深度的脉冲包络有所不同。当声源深度200m 时,在接收深度 440m 上 37km 接收距离对应第一影区位置,能量集中在前两组脉冲波包。第1 组脉冲信号主要为海底反射波、海面海底反射波、海底海面反射波和海面海底海面反射波 4 个路径,最先到达且幅度最大;第 2 组脉冲信号比第1 组脉冲信号多一次海底海面反射,时间延后且幅度较小;第 3 组脉冲信号仍比第 2 组脉冲信号多一次海底海面反射,能量可以忽略不计。在接收深度310m 上 62km 接收距离对应第一会聚区附近位置,能量集中在第 1 组脉冲波包,主要是直达波和海面反射波。当声源深度 50m 时,在接收深度 160m 上23km 接收距离对应海底反射会聚区位置,能量集中在前 2 组脉冲波包,多途到达结构与图 8(a)类似。当接收距离 65km 时,经过多次海底反射,能量快速衰减,最先到达的脉冲波包占主导。sexp(r,t)scal(r,t)rrsexp(r,t)scal(r,t)?sexp(r,t)?scal(r,t)?sexp(r,t)?scal(r,t)当声源与接收器的相对位置未知时,通过计算测量声场和拷贝声场信号之间的互相关系数,对声源位置进行估计。假设测量声场和拷贝声场对应的声信号分别表示为和,其中为真实距离,为搜索距离。通过希尔伯特变换分别提取和的包络信息,记为和,则和的互相关系数的计算公式为(r,r)=max+?sexp(r,t)?scal(r,t+)dt+?s2exp(r,t)dt+?s2cal(r,t)dt.(6)0246810时间(s)1.00.500.51.0归一化幅度实验波形仿真波形实验波形(b)(a)仿真波形0246810时间(s)1.00.500.51.0归一化幅度图8声源深度 200m 实验与仿真波形对比(a)接收距离 37km,接收深度 440m;(b)接收距离 62km,接收深度 310m0246810时间(s)1.00.500.51.0归一化幅度实验波形仿真波形实验波形仿真波形(a)0246810时间(s)1.00.500.51.0归一化幅度(b)图9声源深度 50m 实验与仿真波形对比(a)接收距离 23km,接收深度 160m;(b)接收距离 65km,接收深度 400m442声学学报2023年r(r,r)(r,r)互相关系数定义为归一化延时相关的最大值,上标“*”表示复共轭运算。通过搜索距离,可以得到不同距离的数值结果与实验结果的互相关系数,将的最大值对应的距离作为声源与水听器水平距离估计值。当水下滑翔机接近海面和最大下潜深度时,受海面噪声和油泵工作影响较大,因此只选取接收深度 50850m 范围内的信号进行分析。根据 RAM-PE 模型计算得到的拷贝声场,先对接收信号进行希尔伯特变换,提取信号包络信息,再结合式(6)计算互相关系数,最大相关系数对应的距离即估计距离,图 10 和图 11 分别给出了图 8 和图 9 对应的互相关结果,其中红色圆圈表示估计距离,对应互相关函数的最大值。可以看出,当距离较近(本文指 37km)时,200m 深度的声源下其估计距离对应的相关系数峰值明显高于其他距离上的值;而对于较远距离,可能出现伪峰而导致距离估计结果异常(图 10(b);50m 深度的声源下其相关系数峰值在 23km 和 65km接收距离之间并无差别。对实验数据进行脉冲波形匹配,滑翔机 J15 和J16 声源距离估计结果分别如图 12 和图 13 所示。由图可见,当声源深度为 200m 时,除个别声源外,在 100km 范围内估计距离和实际距离较为一致,尤其在 50km 以内距离估计效果更好。而在第一会聚区附近距离的估计性能下降,结合图 8(b)和图 10(b)可知,拷贝声场波形与实验波形较为一致,第一会聚的声能量主要由直达声路径贡献,因此该区域与直达声区到达结构接近,会在直达声区对应的距离处产生伪峰,进而造成距离估计结果的异常。当声源深度 50m 时,由于海洋波导为深海非完全声道,声线与海底作用频繁,多途到达结构复杂,不同距离处的到达波形存在一定的相似性,使得互相关系数会产生较多伪峰,声源距离估计效果变差,此时利用单水听器基于脉冲波形结构匹配得到的距离估计结果不完全可靠。另外需要说明,本文在仿真计算时假设地形为平坦海底,会导致一定程度的环境失配,使得声源距离估计结果产生误差。因此下面使用两台水下滑翔机联合解算,进而提高声源的定位精度。020406080100距离(km)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0相关系数020406080100距离(km)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0相关系数实际距离:36.9 km估计距离:36.4 km(a)(b)实际距离:62.0 km估计距离:2.0 km图10声源深度 200m 不同位置的互相关系数(a)接收距离 37km,接收深度 440m;(b)接收距离 62km,接收深度 310m实际距离:22.6 km估计距离:22.2 km实际距离:64.7 km估计距离:62.6 km020406080100距离(km)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0相关系数(a)020406080100距离(km)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0相关系数(b)图11声源深度 50m 不同位置的互相关系数(a)接收距离 23km,接收深度 160m;(b)接收距离 65km,接收深度 400m3期吴禹沈等:声学滑翔机联合的深海水下声源定位443 4.2水下滑翔机联合的声源定位在声源深度已知的条件下,单个水听器可实现声源距离估计,但是无法获取声源的方位信息。本节利用 2 台滑翔机进行水下声源测距和方位估计,实现声源距离和方位的二维定位。多台水下滑翔机联合定位可消除单台滑翔机带来的测距误差,实现更为精确的声源位置估计。理论上已知多接收器测距结果,利用 3 个接收器即可实现声源的定位,而声源相对于 3 个接收器的方位可以根据几何关系来计算。由于该时段在声源附近工作的水下声学滑翔机只有 2 台,而仅用 2 台滑翔机进行声源定位会存在镜像模糊问题。因此在不影响定位结果的情况下,假设已知声源运动方向,进行声源位置估计。首先通过 4.1 节中脉冲波形匹配方法估计声源与每台滑翔机的距离,再根据几何关系确定声源方位,方法示意图如图 14 所示,其中 R1 表示滑翔机J15 与声源的估计距离,R2 表示滑翔机 J16 与声源的估计距离,分别以滑翔机 J15 和 J16 为圆心,以 R1 和R2 为半径作圆,当且仅当两者存在交点时才能得到xy声源估计位置。当任意一个滑翔机存在明显的距离估计误差,两个圆形将不存在交点,通常无法得到位置估计结果,这也是排除距离估计异常点的一种方式。使用上述方法对所有声源进行距离和方位估计,以 O2 点为坐标原点,分别以正东和正北为轴和轴正方向,定位结果如图 15 所示。可以看出,除个别声源之外,声源估计位置分布在实际运动轨迹周围。当声源深度 50m 时,联合距离估计均方根误差020406080100实际距离(km)0102030405060708090100估计距离(km)020406080100实际距离(km)0102030405060708090100估计距离(km)(a)(b)图12滑翔机 J15 声源距离估计结果(a)声源深度 50m;(b)声源深度 200m020406080100实际距离(km)0102030405060708090100估计距离(km)(a)020406080100实际距离(km)0102030405060708090100估计距离(km)(b)图13滑翔机 J16 声源距离估计结果(a)声源深度 50m;(b)声源深度 200m滑翔机 1滑翔机 2估计位置真实位置半径 R2半径 R1图14滑翔机联合声源定位平面示意图444声学学报2023年为 9km;当声源深度 200m 时,联合距离估计均方根误差为 2.5km,相对误差小于 4%,定位结果更加准确。以 O2 点作为参考点,以正北方向为 0方向,图 16给出了声源真实方位(270)和估计方位的对比结果,当声源深度为 200m 时,估计声源方位与实际方位基本一致,方位估计均方根误差为 2.4;对于 50m 声源的方位估计误差相对较大,均方根误差为 13。如果使用多台水下声学滑翔机时,对同一目标进行测距和定位时,则可进一步排除异常值,声源定位效果将能得到提升。12010080604020020距离(km)10080604020020406080100距离(km)12010080604020020距离(km)10080604020020406080100距离(km)O2估计位置运动轨迹O2估计位置运动轨迹(a)(b)图15声源位置估计结果(a)声源深度 50m;(b)声源深度 200m051015序号050100150200250300350相对于 O2 点方位角()051015序号050100150200250300350相对于 O2 点方位角()真实方位角估计方位角真实方位角估计方位角(a)(b)图16声源方位估计结果(a)声源深度50m;(b)声源深度200m5 结论利用 2021 年东印度洋北部海域水下声学滑翔机实验数据,首先分析了深海非完全声道下的声传播特性和宽带脉冲信号的多途传播特性,其次提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,最后通过两台水下滑翔机联合定位的工作模式,降低了单台滑翔机带来的测距误差,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明,在印度洋深海非完全声道条件下,利用两台声学滑翔机可对水下声源进行联合定位。对于 200m 深度的声源,在 100km 范 围 内,距 离 估 计 均 方 根 误 差 为2.5km,相对误差小于 4%,方位估计均方根误差为2.4;对于 50m 深度声源,其定位结果略差,距离估计均方根误差为 9km,方位估计均方根误差为 13。本文利用水下滑翔机加载的单通道水听器数据,验证了水下滑翔机联合声源定位的可行性,后续实验和研究中将使用多台多通道声学滑翔机,进一步提升水下声源三维定位的准确性。致谢感谢参与 2021 年春季东印度洋深海声学实验的全体工作人员,是他们的辛勤劳动为本文提供了可靠宝贵的实验数据。参考文献JensenFB,KupermanWA,PorterMB,et al.Computational13期吴禹沈等:声学滑翔机联合的深海水下声源定位445oceanacoustics.2ndEd.NewYork:Springer,2011:19BuckerHP.Useofcalculatedsoundfieldsandmatched-fieldde-tectiontolocatesoundsourcesinshallowwater.J.Acoust.Soc.Am.,1976;59(2):3683732WestwoodEK.Broadbandmatched-fieldsourcelocalization.J.Acoust.Soc.Am.,1992;91(5):277727893李整林,张仁和,鄢锦,等.大陆斜坡海域宽带声源的匹配场定位.声学学报,2003;28(5):4254284SongHC,deRosnyJ,KupermanWA.Improvementinmatchedfield processing using the CLEAN algorithm.J.Acoust.Soc.Am.,2003;113(3):137913865谢亮,王鲁军,林旺生.深海脉冲信号簇到达结构特征及其在水下声源定位中的应用.声学学报,2021;46(2):1711816WuZY,ZhangRH,QinJX,et al.Sourcerangeestimationbasedonpulsewaveformmatchinginaslopeenvironment.Chin.Phys.Lett.,2017;34(7):0743017McCargarR,ZurkLM.Depth-basedsignalseparationwithver-ticallinearraysinthedeepocean.J.Acoust.Soc.Am.,2013;133(4):EL320EL3258CockrellKL,SchmidtH.Robustpassiverangeestimationusingthe waveguide 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