深海可靠声路径条件下矢量水听器垂直阵列超增益特性研究

Due to the multi-path effect in the ocean channel, the gain of the vertical hydrophone array is often low, which limits its application in the field of target detection. This project makes full use of the characteristics that sound waves in the reliable acoustic path of the deep ocean are less influenced from the ocean surface and the bottom, and comprehensively uses the method of combining theoretical analysis, numerical calculation and experimental data verification. In this paper, the vertical correlation between sound field and noise in reliable acoustic path is studied, and then the formation mechanism of highly coherent vector acoustic field is revealed. Further, the super gain characteristics of vertical array of vector hydrophone are studied. The researches above can provide theoretical support for target detection in the deep ocean with vector hydrophone vertical array.

受海洋信道多途效应影响，水听器垂直阵列阵增益往往较低，极大限制了其在目标探测领域的应用。本项目充分利用深海可靠声路径中声波受海底和海面影响小的特点，综合运用理论分析、数值计算以及试验数据验证相结合的方法，深入研究可靠声路径中声场和噪声的垂直相关特性，揭示高相干性矢量声场形成机理，并针对矢量水听器垂直阵列的超增益特性展开研究。通过以上研究可为矢量水听器垂直阵列深海目标探测提供理论支撑。

本项目以矢量水听器垂直阵列为研究对象，建立了深海矢量声传播模型，分析了深海直达波区和声影区中本征声线结构，阐释了深海可靠声路径条件下高垂直相关性声场产生机理，将高分辨、高稳健性的解卷积波束形成算法应用于矢量水听器垂直阵列，获得了高于常规波束形成的阵增益，实现了超增益目标探测。项目按计划执行，具体执行情况如下所述：开展了深海矢量声场建模及垂直相关性研究。采用射线声学理论，建立了深海矢量声场模型，分析了深海直达波区和可靠声路径中的本征声线结构，明确了可靠声路径中声场占主导地位的信号分量为直达波和海面一次反射波，结合两者在空间传播过程中的叠加干涉特性，阐释了可靠声路径中高垂直相关性声场形成机理。开展了深海噪声矢量场垂直相关性研究。采用表面噪声模型，建立了噪声矢量场垂直相关系数计算方法，通过仿真计算手段分析了深海噪声矢量场垂直相关特性，进一步结合光纤矢量水听器垂直阵列深海试验结果，对基于表面噪声模型的噪声矢量场垂直相关性理论进行了验证，并分析了理论和试验存在差异的原因。开展了深海矢量水听器垂直阵列超增益性能研究。将解卷积波束形成算法应用于矢量水听器垂直阵列，通过仿真计算分析了不同信噪比条件下垂直阵列解卷积波束形成算法增益性能，并结合海上试验数据处理结果，验证了深海矢量水听器垂直阵列可以通过解卷积的方法获得显著高于常规波束形成算法的阵增益，实现深海超增益目标探测。在本项目执行期间，项目负责人发表学术论文10篇，其中SCI检索6篇，EI检索4篇，授权国家发明专利1项。