高斯射线束法在深海声源定位中的应用

　　1 引言

　　匹配场声源被动定位作为一种水声定位的方法，是海洋声学近几十年来的研究热点之一[1]。在过去的几十年里，国内外许多专家学者投入这方面的研究。最早提出匹配场声源被动定位的是Hinich[2]。之后，Bucker[3]使用实际的环境模型，引入了模糊表面的概念，并证明了波场有足够的信息来进行反演和定位，他的检测因子本质上就是现在所说的“常规匹配场处理(Matched Field Processing，MFP)”。自此之后，在深海和浅海环境被动声源定位问题中，匹配场处理方法都得到了深入的研究和发展，并提出了许多处理算法[4]，如Bartlett方法、最大似然方法，多约束法和区域聚焦方法等。有关深海匹配场定位的实验研究有很多文献。Yang[5]于1987年利用模式分解的方法研究在4000m深北冰洋海洋波导中的声源定位问题，成功地实现了对距离260km的低频信号源的定位;Transfer和Hodgkiss[6-7]在太平洋东北部5000m的海水波导中进行了165km距离上的匹配场被动定位实验，实验中采用了一条长900m的垂直阵，通过实验分析，发现了由于会聚区的存在和失配因素引起的会聚区模糊问题;Westwood[8]采用宽带方法对在墨西哥湾深度为4500m的深海区获得的数据进行了处理。

　　从实际应用的角度来看，拷贝场的计算速度对于实时被动定位至关重要，特别是在深海宽带情况下匹配场定位更是如此。其计算速度的快慢直接影响到整个定位过程的速度，同时，模型的精度也会严重影响定位结果的可信度。因此，深海匹配场定位要求拷贝场模型计算快速而准确[1]。这也是目前匹配场处理中拷贝场计算仍然需要深入分析和改进的一个重要问题。传统计算声场的理论模型在深海匹配场定位的应用中存在一定的缺陷和不足。如目前最常用的简正波模型，很难应用于水平变化声场的快速计算;抛物方程理论需要检查收敛性，针对不同的问题选取不同的计算参数，并且存在计算速度慢的问题，等等。射线理论是最早建立起来的经典理论模型之一，因算法简单，物理意义清晰，计算速度快等优势，一直都在工程上广泛应用，但是由于该理论的高频近似假设和计算精度不够等问题，在声场的理论计算中渐渐的被其他方法取代，所以很少被选作匹配场被动定位的拷贝场模型。上个世纪80年代Michael B. Porter[9]等提出了高斯射线束法可以有效解决经典射线法中声影区和会聚区声场能量计算不准确的问题，在水声学中得到了广泛的关注。本文作者在之前的工作中深入分析了基于高斯射线束理论的Bellhop计算程序，确定该理论模型在水平变化和水平不变的水文环境下都具有较快的计算速度和较高的计算精度，并且很适合并行计算，具有很高的并行效率，可以有效利用现代计算机技术，大幅度提高声场的计算速度[10]。