水下声源定位理论与技术

　　本书系统地介绍了水下声源定位理论与技术。全书共10章，包括绪论、基本知识介绍、浅海窄带声源定位方法、浅海宽带声源定位方法、基于深海近海面阵列的声源定位方法、深海可靠声路径下基于单阵元的声源定位方法、深海可靠声路径下基于双阵元的声源定位方法、深海可靠声路径下基于垂直线阵列的声源定位方法、深海可靠声路径下的干涉条纹特征及其应用、阵列流形失配条件下的水平线阵列测向方法。本书融入了作者团队10余年来在水下声源定位方面的理论与技术科研成果，纳入了作者团队在国内外重要期刊上发表的40余篇论文，同时也参考了少量国内外相关的研究工作文献。本书对水下声源定位问题叙述详尽，理论、方法与技术的分析力求系统、深入，阐述深入浅出，便于自学。本书可供水声工程、海洋工程、水中兵器、海洋监测、海洋开发等领域的科研工作者、教学人员、研究生和本科生参考。

　　杨坤德，男，汉族，博士学位。1974年出生，西北工业大学教授、博士生导师。1996年作为优秀本科毕业生留校，分别于1996年和1999年保送攻读硕士与博士，2003年获得博士学位。2005年破格晋升为副教授，2006年2月至2007年2月，受国家留学基金资助，在加拿大维多利亚大学做访问学者，2009年破格晋升为教授，2011年聘为水声工程学科博士生导师。担任国家重大专项航次技术首席6次。兼任国家某重大型号和重大专项专家组成员、某973项目总体专家组成员、某国防科技重点实验室客座教授。曾主持国家自然基金、总装探索、国家重大专项等项目30余项。获得省部级科技奖6项。发表论文100余篇，被SCI检索80余篇，已授权专利40余项。现任海洋声学信息感知”工信部重点实验室主任、航海学院声学与信息工程系主任。

目 录
第1章 绪论 1
1．1 研究意义 1
1．2 研究历史和现状 3
1．2．1 海洋声学主要工作 3
1．2．2 声源被动定位方法 10
1．3 本书的结构 13
第2章 基本知识介绍 16
2．1 概述 16
2．2 声场传播模型 16
2．2．1 理想流体介质中的波动方程 16
2．2．2 射线模型 18
2．2．3 简正波模型 20
2．2．4 抛物方程模型 21
2．3 全球水声环境主要参数分布 23
2．3．1 数据集 23
2．3．2 海底地形 23
2．3．3 声速剖面分布 24
2．3．4 深海声道轴深度 28
2．3．5 表面波导厚度 29
2．3．6 临界深度分布 30
2．4 典型声传播模式分析 31
2．4．1 大陆坡及大陆架斜坡传播模式 31
2．4．2 海底反射模式 42
2．4．3 表面波导模式和泄漏模式 44
2．4．4 可靠声路径 47
2．4．5 海底反射与表面波导泄漏能量对比 50
2．5 水声信号定位方法 52
2．5．1 方位估计（DOA）算法 52
2．5．2 匹配场信号处理 55
2．5．3 基于稀疏表示的DOA方法 58
本章小结 64
第3章 浅海窄带声源定位方法 65
3．1 概述 65
3．2 水平线阵列声场定位原理 66
3．2．1 线性匹配场定位原理及其评价指标 66
3．2．2 时反聚焦定位原理及其评价指标 68
3．3 匹配场定位性能分析 69
3．3．1 仿真条件 69
3．3．2 水平线阵列深度对匹配场定位性能的影响 70
3．3．3 海底水平线阵列的匹配场定位性能 75
3．4 时反聚焦定位性能分析 76
3．4．1 仿真条件 76
3．4．2 水平线阵列深度对时反聚焦性能的影响 76
3．4．3 海洋环境对水平线阵列时反聚焦性能的影响 78
3．5 匹配场定位的虚拟时反实现方法 80
3．5．1 虚拟时反实现方法 80
3．5．2 传统匹配场处理和虚拟时反实现方法比较 82
3．5．3 仿真数据分析 85
3．5．4 实验数据分析 88
本章小结 92
第4章 浅海宽带声源定位方法 94
4．1 概述 94
4．2 基于自相关函数的定位方法 95
4．2．1 多途信道模型及环境敏感性分析 95
4．2．2 本征声线特征参数的提取及其定位方法 98
4．2．3 自相关函数匹配的稳健目标定位方法 100
4．2．4 仿真分析 105
4．2．5 实验数据分析 109
4．3 基于多途到达结构的近距离声源定位方法 112
4．3．1 浅海多途到达结构特征 112
4．3．2 多途到达结构匹配的定位方法 113
4．3．3 仿真验证 115
4．4 基于简正波模态消频散变换的定位方法 116
4．4．1 浅海简正波模态频散特性 116
4．4．2 定位方法 117
4．4．3 海底参数与声源位置参数的同时求解 119
4．4．4 实验数据分析 123
4．5 基于集合卡尔曼滤波的声源跟踪方法 127
4．5．1 集合卡尔曼滤波简介 127
4．5．2 运动声源跟踪定位方法 127
4．5．3 仿真分析 131
4．5．4 实验数据分析 140
本章小结 144
第5章 基于深海近海面阵列的声源定位方法 146
5．1 概述 146
5．2 基于海底反射信号多途到达结构的定位方法 146
5．2．1 深海多途到达结构特征 147
5．2．2 联合定位方法（SE方法）的应用 148
5．2．3 实验数据处理 149
5．3 基于几何关系近似的声源定位方法 157
5．3．1 多途时延的几何关系模型 157
5．3．2 定位方法介绍 159
5．3．3 实验数据处理 161
本章小结 163
第6章 深海可靠声路径下基于单阵元的声源定位方法 164
6．1 概述 164
6．2 可靠声路径的声场特性分析 165
6．2．1 无影区特性 165
6．2．2 声传播特性分析 167
6．3 基于延时互相关函数的定位方法 171
6．3．1 基于射线理论的声场互相关特性分析 171
6．3．2 运动声源测速和定深方法 172
6．3．3 声场互相关仿真和应用分析 175
6．3．4 实验数据处理 182
6．3．5 方法应用限制和误差分析 186
6．4 基于直达波-海面反射波时延的运动声源定位方法研究 187
6．4．1 扩展卡尔曼滤波理论介绍 187
6．4．2 声源速度位置估计方法及仿真分析 188
6．4．3 实验数据处理 195
本章小结 198
第7章 深海可靠声路径下基于双阵元的声源定位方法 199
7．1 概述 199
7．2 基于多途时延差的双阵元深海匹配定位方法 199
7．2．1 匹配定位方法原理 199
7．2．2 定位方法仿真结果和误差分析 200
7．2．3 实验数据验证 203
7．3 双水听器互相关函数匹配定位方法 204
7．3．1 基于互相关函数匹配的被动定位方法 204
7．3．2 定位方法的模糊平面及性能分析 208
7．3．3 互相关函数的稀疏重构方法 219
7．3．4 实验数据处理 220
本章小结 225
第8章 深海可靠声路径下基于垂直线阵列的声源定位方法 226
8．1 引言 226
8．2 基于多途到达结构的定位方法研究 226
8．2．1 加权子空间拟合匹配定位方法（WSF-MF）的应用 226
8．2．2 WSF-MF方法的定位精度及稳健性分析 227
8．3 声场空频域联合的定位方法研究 235
8．3．1 联合定位方法及算例 235
8．3．2 联合定位方法性能分析 241
8．3．3 联合定位方法应用于水面和水下声源分类 244
8．3．4 实验数据处理 249
本章小结 252
第9章 深海可靠声路径下的干涉条纹特征及其应用 254
9．1 概述 254
9．2 劳埃德镜的简正波分析 255
9．2．1 等声速波导环境 255
9．2．2 深海环境 260
9．3 干涉条纹分析 263
9．3．1 中等距离内的3种干涉条纹 263
9．3．2 干涉条纹轨迹的计算方法 267
9．4 深度估计中的应用 268
9．4．1 MIS方法 268
9．4．2 MFS方法 270
9．4．3 MIS方法和MFS方法的性能分析 273
9．5 海上实验数据验证 274
9．5．1 采用MIS方法估计气枪声源深度 276
9．5．2 采用MFS方法估计爆炸声源深度 277
本章小结 277
第10章 阵列流形失配条件下的水平线阵列测向方法 279
10．1 概述 279
10．2 基于稀疏性的被动合成孔径定位与子阵处理方法 279
10．2．1 运动直线阵列被动合成孔径方法（PSA）原理介绍 279
10．2．2 子阵位移误差对PSA方法的影响 282
10．2．3 子阵位移误差时的直线阵列稀疏贝叶斯DOA 284
10．2．4 基于稀疏贝叶斯的直线阵列PSA 293
10．3 海底水平线阵列测向误差分析及误差修正方法研究 297
10．3．1 测向误差的物理成因 297
10．3．2 测向误差随声源距离和声源方向变化规律研究 302
10．3．3 测向误差修正方法 309
本章小结 311
参考文献 313