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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。

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

前    言
随着我国建设海洋强国步伐的加快，对水下声源定位理论与技术的需求日益旺盛。水下声源定位在海洋科学研究、海洋环境监测、水下目标探测与侦察、水下通信与对抗、导航制导等领域具有十分重要的科学研究价值，也具有特别重要的实际应用意义。本书是一本系统阐述水下声源定位理论与技术的专著，涉及海洋工程、水声工程、电子与信息工程、电子对抗等技术领域。本书是根据作者团队10余年来在水下声源定位理论与技术的科研成果总结提炼写成的，纳入了作者团队在国内外重要期刊上发表的基础研究论文。此外，书中也少量涉及国内外同行近年来取得的研究进展。
水下声波传播的海洋环境主要包括海面、海底及中间的水体层。海底声学参数的未知和不确性、水体环境参数的时空变化特性，导致水下声波的传播规律与特性十分复杂。如何在复杂的水下环境中对感兴趣的声源实施准确的定位，具有相当的难度，这也成为国内外科技工作者长期以来的研究热点。融入水声传播模型的水下声源定位理论与技术，尽力使之具有环境变化的宽容性，成为国内外研究者们长期执着而方兴未艾的方向，涌现出了大量的理论方法与实验验证结果。针对浅海和深海不同的海洋环境，面向不同的应用需求和不同的水下传感器阵列，所需要的水下声源定位理论与技术不同，其稳健性、快速性等处理的方法也有所区别。作者团队在长期的水下声源定位研究中，针对不同的环境条件和应用场景，开展了由浅海到深海环境的理论研究和实验验证，取得了一些研究成果。本书以一部专著的形式，系统地介绍作者团队在水下声源定位理论与技术的成果，希望同行参考借鉴并共同推动更加深入而系统的研究及应用。
全书共10章，主要内容如下：
第1章概述了水下声源定位研究的背景、意义、历史和现状。
第2章介绍了声场传播模型、全球水声环境主要参数分布、典型声传播模式、水下信号定位方法等基本知识。
第3章阐述了浅海窄带声源定位方法，涉及水平线阵列声场定位原理、匹配场定位性能分析、时反聚焦定位性能分析、匹配场定位的虚拟时反实现方法。
第4章阐述了浅海宽带声源定位方法，包括基于自相关函数的定位方法、基于多途到达结构的近距离声源定位方法、基于简正波模态消频散变换的定位方法、基于集合卡尔曼滤波的声源跟踪方法。
第5章阐述了基于深海近海面阵列的声源定位方法，涉及基于海底反射信号多途到达结构的定位方法、基于几何关系近似的声源定位方法。
第6章在分析深海可靠声路径声场特性分析的基础上，介绍了深海可靠声路径下基于单阵元的声源定位方法，包括基于延时互相关函数的定位方法、基于直达波-海面反射波相对时延与卡尔曼滤波的运动声源定位方法。
第7章介绍了深海可靠声路径下基于双阵元的声源定位方法，包括基于双阵元多途时延差和双水听器互相关函数的匹配定位方法。
第8章阐述了深海可靠声路径下基于垂直线阵列的声源定位方法，包括基于多途到达结构的定位方法、声场空频域联合定位方法。
第9章分析了深海可靠声路径下劳埃德镜中明暗波束形成的物理机理及其轨迹的计算方法，给出了可靠声路径声场干涉条纹的形成过程，最后阐述了基于干涉条纹的声源深度估计方法。
第10章介绍了基于稀疏性的被动合成孔径定位与子阵处理方法、海底水平线阵列测向误差分析及误差修正方法。
本书编写分工如下：杨坤德编写第1、3、7章，段睿编写第2、5、8、9章，李辉编写第4、6、10章，马远良对稿件进行了仔细修改。书中纳入了作者团队在国内外重要期刊上发表的学术论文，也涉及了作者团队所指导的多名研究生的少量成果，这些研究生包括张同伟、郭晓乐、雷志雄、杨秋龙、卢艳阳等。同时，本书所反映的研究结果，得到了多项国家级科研项目的支持，是在课题组长期科研工作基础上提炼而成的。在此期间，西北工业大学航海学院的相关老师为此做出了重要贡献，这些老师包括孙超、何正耀、雷波、段顺利等。在此，对国家与作者所在学校有关部门、有关老师和研究生深表感谢！
希望本书的出版对水下探测、水下侦察、水下对抗、水下通信、水中兵器、海洋科学、海洋工程、海洋监测、海洋开发等领域的科研工作者、教学人员、研究生和本科生有所帮助。
由于作者学识水平所限，书中难免存在不妥之处，恳请读者和相关专业同仁提出宝贵的意见和建议。

作  者    
2019年9月

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