本書對水下探測、水下偵察、水下對抗、水下通信、水中兵器、海洋科學、海洋工程、海洋監測、海洋開發等領域的科研工作者、教學人員、研究生和本科生有所幫助。

本書繫統地介紹了水下聲源定位理論與技術。全書共10章，包括緒論、基本知識介紹、淺海窄帶聲源定位方法、淺海寬帶聲源定位方法、基於深海近海面陣列的聲源定位方法、深海可靠聲路徑下基的聲源定位方法、深海可靠聲路徑下基的聲源定位方法、深海可靠聲路徑下基於垂直線陣列的聲源定位方法、深海可靠聲路徑下的干涉條紋特征及其應用、陣列流形失配條件下的水平線陣列測向方法。本書融入了作者團隊10餘年來在水下聲源定位方面的理論與技術科研成果，納入了作者團隊在國內外重要期刊上發表的40餘篇論文，同時也參考了少量國內外相關的研究工作文獻。本書對水下聲源定位問題敘述詳盡，理論、方法與技術的分析力求繫統、深入，闡述深入淺出，便於自學。本書可供水聲工程、海洋工程、水中兵器、海洋監測、海洋開發等領域的科研工作者、教學人員、研究生和本科生參考。

楊坤德，男，漢族，博士學位。1974年出生，西北工業大學教授、博士生導師。1996年作為優秀本科畢業生留校，分別於1996年和1999年保送攻讀碩士與博士，2003年獲得博士學位。2005年破格晉升為副教授，2006年2月至2007年2月，受國家留學基金資助，在加拿大維多利亞大學做訪問學者，2009年破格晉升為教授，2011年聘為水聲工程學科博士生導師。擔任國家重大專項航次技術首席6次。兼任國家某重大型號和重大專項專家組成員、某973項目總體專家組成員、某國防科技重點實驗室客座教授。曾主持國家自然基金、總裝探索、國家重大專項等項目30餘項。獲得省部級科技獎6項。發表論文100餘篇，被SCI檢索80餘篇，已授權專利40餘項。現任"海洋聲學信息感知”工信部重點實驗室主任、航海學院聲學與信息工程繫主任。

目 錄
第1章 緒論 1
1．1 研究意義 1
1．2 研究歷史和現狀 3
1．2．1 海洋聲學主要工作 3
1．2．2 聲源被動定位方法 10
1．3 本書的結構 13
第2章 基本知識介紹 16
2．1 概述 16
2．2 聲場傳播模型 16
2．2．1 理想流體介質中的波動方程 16
2．2．2 射線模型 18
2．2．3 簡正波模型 20
2．2．4 拋物方程模型 21
2．3 全球水聲環境主要參數分布 23
2．3．1 數據集 23
2．3．2 海底地形 23
2．3．3 聲速剖面分布 24
2．3．4 深海聲道軸深度 28
2．3．5 表面波導厚度 29
2．3．6 臨界深度分布 30
2．4 典型聲傳播模式分析 31
2．4．1 大陸坡及大陸架斜坡傳播模式 31
2．4．2 海底反射模式 42
2．4．3 表面波導模式和洩漏模式 44
2．4．4 可靠聲路徑 47
2．4．5 海底反射與表面波導洩漏能量對比 50
2．5 水聲信號定位方法 52
2．5．1 方位估計（DOA）算法 52
2．5．2 匹配場信號處理 55
2．5．3 基於稀疏表示的DOA方法 58
本章小結 64

第3章 淺海窄帶聲源定位方法 65
3．1 概述 65
3．2 水平線陣列聲場定位原理 66
3．2．1 線性匹配場定位原理及其評價指標 66
3．2．2 時反聚焦定位原理及其評價指標 68
3．3 匹配場定位性能分析 69
3．3．1 仿真條件 69
3．3．2 水平線陣列深度對匹配場定位性能的影響 70
3．3．3 海底水平線陣列的匹配場定位性能 75
3．4 時反聚焦定位性能分析 76
3．4．1 仿真條件 76
3．4．2 水平線陣列深度對時反聚焦性能的影響 76
3．4．3 海洋環境對水平線陣列時反聚焦性能的影響 78
3．5 匹配場定位的虛擬時反實現方法 80
3．5．1 虛擬時反實現方法 80
3．5．2 傳統匹配場處理和虛擬時反實現方法比較 82
3．5．3 仿真數據分析 85
3．5．4 實驗數據分析 88
本章小結 92
第4章 淺海寬帶聲源定位方法 94
4．1 概述 94
4．2 基於自相關函數的定位方法 95
4．2．1 多途信道模型及環境敏感性分析 95
4．2．2 本征聲線特征參數的提取及其定位方法 98
4．2．3 自相關函數匹配的穩健目標定位方法 100
4．2．4 仿真分析 105
4．2．5 實驗數據分析 109
4．3 基於多途到達結構的近距離聲源定位方法 112
4．3．1 淺海多途到達結構特征 112
4．3．2 多途到達結構匹配的定位方法 113
4．3．3 仿真驗證 115
4．4 基於簡正波模態消頻散變換的定位方法 116
4．4．1 淺海簡正波模態頻散特性 116
4．4．2 定位方法 117
4．4．3 海底參數與聲源位置參數的同時求解 119
4．4．4 實驗數據分析 123
4．5 基於集合卡爾曼濾波的聲源跟蹤方法 127
4．5．1 集合卡爾曼濾波簡介 127
4．5．2 運動聲源跟蹤定位方法 127
4．5．3 仿真分析 131
4．5．4 實驗數據分析 140
本章小結 144
第5章 基於深海近海面陣列的聲源定位方法 146
5．1 概述 146
5．2 基於海底反射信號多途到達結構的定位方法 146
5．2．1 深海多途到達結構特征 147
5．2．2 聯合定位方法（SE方法）的應用 148
5．2．3 實驗數據處理 149
5．3 基於幾何關繫近似的聲源定位方法 157
5．3．1 多途時延的幾何關繫模型 157
5．3．2 定位方法介紹 159
5．3．3 實驗數據處理 161
本章小結 163
第6章 深海可靠聲路徑下基的聲源定位方法 164
6．1 概述 164
6．2 可靠聲路徑的聲場特性分析 165
6．2．1 無影區特性 165
6．2．2 聲傳播特性分析 167
6．3 基於延時互相關函數的定位方法 171
6．3．1 基於射線理論的聲場互相關特性分析 171
6．3．2 運動聲源測速和定深方法 172
6．3．3 聲場互相關仿真和應用分析 175
6．3．4 實驗數據處理 182
6．3．5 方法應用限制和誤差分析 186
6．4 基於直達波-海面反射波時延的運動聲源定位方法研究 187
6．4．1 擴展卡爾曼濾波理論介紹 187
6．4．2 聲源速度位置估計方法及仿真分析 188
6．4．3 實驗數據處理 195
本章小結 198

第7章 深海可靠聲路徑下基的聲源定位方法 199
7．1 概述 199
7．2 基於多途時延差深海匹配定位方法 199
7．2．1 匹配定位方法原理 199
7．2．2 定位方法仿真結果和誤差分析 200
7．2．3 實驗數據驗證 203
7．3 雙水聽器互相關函數匹配定位方法 204
7．3．1 基於互相關函數匹配的被動定位方法 204
7．3．2 定位方法的模糊平面及性能分析 208
7．3．3 互相關函數的稀疏重構方法 219
7．3．4 實驗數據處理 220
本章小結 225
第8章 深海可靠聲路徑下基於垂直線陣列的聲源定位方法 226
8．1 引言 226
8．2 基於多途到達結構的定位方法研究 226
8．2．1 加權子空間擬合匹配定位方法（WSF-MF）的應用 226
8．2．2 WSF-MF方法的定位精度及穩健性分析 227
8．3 聲場空頻域聯合的定位方法研究 235
8．3．1 聯合定位方法及算例 235
8．3．2 聯合定位方法性能分析 241
8．3．3 聯合定位方法應用於水面和水下聲源分類 244
8．3．4 實驗數據處理 249
本章小結 252
第9章 深海可靠聲路徑下的干涉條紋特征及其應用 254
9．1 概述 254
9．2 勞埃德鏡的簡正波分析 255
9．2．1 等聲速波導環境 255
9．2．2 深海環境 260
9．3 干涉條紋分析 263
9．3．1 中等距離內的3種干涉條紋 263
9．3．2 干涉條紋軌跡的計算方法 267
9．4 深度估計中的應用 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 海上實驗數據驗證 274
9．5．1 采用MIS方法估計氣槍聲源深度 276
9．5．2 采用MFS方法估計爆炸聲源深度 277
本章小結 277
第10章 陣列流形失配條件下的水平線陣列測向方法 279
10．1 概述 279
10．2 基於稀疏性的被動合成孔徑定位與子陣處理方法 279
10．2．1 運動直線陣列被動合成孔徑方法（PSA）原理介紹 279
10．2．2 子陣位移誤差對PSA方法的影響 282
10．2．3 子陣位移誤差時的直線陣列稀疏貝葉斯DOA 284
10．2．4 基於稀疏貝葉斯的直線陣列PSA 293
10．3 海底水平線陣列測向誤差分析及誤差修正方法研究 297
10．3．1 測向誤差的物理成因 297
10．3．2 測向誤差隨聲源距離和聲源方向變化規律研究 302
10．3．3 測向誤差修正方法 309
本章小結 311
參考文獻 313

前 言

隨著我國建設海洋強國步伐的加快，對水下聲源定位理論與技術的需求日益旺盛。水下聲源定位在海洋科學研究、海洋環境監測、水下目標探測與偵察、水下通信與對抗、導航制導等領域具有十分重要的科學研究價值，也具有特別重要的實際應用意義。本書是一本繫統闡述水下聲源定位理論與技術的專著，涉及海洋工程、水聲工程、電子與信息工程、電子對抗等技術領域。本書是根據作者團隊10餘年來在水下聲源定位理論與技術的科研成果總結提煉寫成的，納入了作者團隊在國內外重要期刊上發表的基礎研究論文。此外，書中也少量涉及國內外同行近年來取得的研究進展。

水下聲波傳播的海洋環境主要包括海面、海底及中間的水體層。海底聲學參數的未知和不確性、水體環境參數的時空變化特性，導致水下聲波的傳播規律與特性十分復雜。如何在復雜的水下環境中對感興趣的聲源實施準確的定位，具有相當的難度，這也成為國內外科技工作者長期以來的研究熱點。融入水聲傳播模型的水下聲源定位理論與技術，盡力使之具有環境變化的寬容性，成為國內外研究者們長期執著而方興未艾的方向，湧現出了大量的理論方法與實驗驗證結果。針對淺海和深海不同的海洋環境，面向不同的應用需求和不同的水下傳感器陣列，所需要的水下聲源定位理論與技術不同，其穩健性、快速性等處理的方法也有所區別。作者團隊在長期的水下聲源定位研究中，針對不同的環境條件和應用場景，開展了由淺海到深海環境的理論研究和實驗驗證，取得了一些研究成果。本書以一部專著的形式，繫統地介紹作者團隊在水下聲源定位理論與技術的成果，希望同行參考借鋻並共同推動更加深入而繫統的研究及應用。

全書共10章，主要內容如下：

第1章概述了水下聲源定位研究的背景、意義、歷史和現狀。

第2章介紹了聲場傳播模型、全球水聲環境主要參數分布、典型聲傳播模式、水下信號定位方法等基本知識。

第3章闡述了淺海窄帶聲源定位方法，涉及水平線陣列聲場定位原理、匹配場定位性能分析、時反聚焦定位性能分析、匹配場定位的虛擬時反實現方法。

第4章闡述了淺海寬帶聲源定位方法，包括基於自相關函數的定位方法、基於多途到達結構的近距離聲源定位方法、基於簡正波模態消頻散變換的定位方法、基於集合卡爾曼濾波的聲源跟蹤方法。

第5章闡述了基於深海近海面陣列的聲源定位方法，涉及基於海底反射信號多途到達結構的定位方法、基於幾何關繫近似的聲源定位方法。

第6章在分析深海可靠聲路徑聲場特性分析的基礎上，介紹了深海可靠聲路徑下基的聲源定位方法，包括基於延時互相關函數的定位方法、基於直達波-海面反射波相對時延與卡爾曼濾波的運動聲源定位方法。

第7章介紹了深海可靠聲路徑下基的聲源定位方法，包括基多途時延差和雙水聽器互相關函數的匹配定位方法。

第8章闡述了深海可靠聲路徑下基於垂直線陣列的聲源定位方法，包括基於多途到達結構的定位方法、聲場空頻域聯合定位方法。

第9章分析了深海可靠聲路徑下勞埃德鏡中明暗波束形成的物理機理及其軌跡的計算方法，給出了可靠聲路徑聲場干涉條紋的形成過程，最後闡述了基於干涉條紋的聲源深度估計方法。

第10章介紹了基於稀疏性的被動合成孔徑定位與子陣處理方法、海底水平線陣列測向誤差分析及誤差修正方法。

本書編寫分工如下：楊坤德編寫第1、3、7章，段睿編寫第2、5、8、9章，李輝編寫第4、6、10章，馬遠良對稿件進行了仔細修改。書中納入了作者團隊在國內外重要期刊上發表的學術論文，也涉及了作者團隊所指導的多名研究生的少量成果，這些研究生包括張同偉、郭曉樂、雷志雄、楊秋龍、盧艷陽等。同時，本書所反映的研究結果，得到了多項國家級科研項目的支持，是在課題組長期科研工作基礎上提煉而成的。在此期間，西北工業大學航海學院的相關老師為此做出了重要貢獻，這些老師包括孫超、何正耀、雷波、段順利等。在此，對國家與作者所在學校有關部門、有關老師和研究生深表感謝！

希望本書的出版對水下探測、水下偵察、水下對抗、水下通信、水中兵器、海洋科學、海洋工程、海洋監測、海洋開發等領域的科研工作者、教學人員、研究生和本科生有所幫助。

由於作者學識水平所限，書中難免存在不妥之處，懇請讀者和相關專業同仁提出寶貴的意見和建議。

作 者

2019年9月