水下目标探测定位一直是水声工程中的热点问题。随着我国从近浅海向深远海的发展,水下目标探测定位的环境也变得更复杂,所要求的范围也变得更广阔。研究深海典型声场特性,以及基于声场特性的目标定位方法是走向“深蓝”的迫切需求。基于以上考虑,本文开展了基于深海声场特性的目标定位方法研究,以及合理的声呐布放方法研究,并利用课题组获得的实验数据对研究得到的方法和结论进行了验证。论文研究结果对提高深海声场特性利用率、提升深海环境下目标探测定位能力具备重要的意义。论文的主要成果和创新点如下:1.利用深海声场结构的稳定性及互易性,提出了一种已知距离上的目标定深方法。深海环境下声传播具有稳定的结构,在声速剖面确定的情况下,当声源深度固定后,声源出射的干涉波束具有唯一确定的出射角度及相应的传播路径。在任意的距离上,干涉波束在深度上的分布结构都是唯一确定的,利用这一特性可以实现对声源深度的反推计算。利用声场互易性,在干涉波束所在深度（信号强的位置）上布置仿真声源,通过声场建模,反推相应距离上的声场信号强弱分布,其中信号最强所在深度即为原声源深度。论文利用简正波模型、射线模型分别仿真验证了该算法在低频段、高频段的可行性。最后,论文利用海上实验数据验证了该算法的可行性,实现了对距离48.88km、52.39km外的爆炸声源的深度估计。2.基于深海声传播的多途特性,利用直达波信号与海面一次反射波信号的到达时间差作为匹配量,提出了一种深海目标定位方法。深海声传播的多途特性是最典型的深海声传播特性之一。考虑目标靠近海面,接收端靠近海底的情况,此时直达波信号与海面一次反射信号的到达时间差可以作为匹配量,用于对目标的匹配定位。该方法首先获得实际信号的多途时间差,然后建立声场模型,计算得到匹配区域的多途时间差作为拷贝场。建立目标方程,将拷贝场与实际多途时间差进行匹配计算,得到定位模糊平面,其峰值即代表目标位置。论文首先用仿真计算验证了算法的可行性,随后利用实验数据进一步验证了算法的可行性。最后,论文还对算法稳健性进行了分析,结果表明该算法可以仅利用两个水听器,在水听器间距小至19.2m的情况下实现对目标的定位。3.基于垂直线列阵具备对目标距离-深度二维定位的能力,论文研究了多垂直线列阵对运动目标的速度与运动方向估计方法,可以实现对匀速直线运动目标的追踪。垂直线列阵具备对目标的距离-深度二维平面内的定位能力,但没有水平面内的定向能力。通过多垂直线列阵协同布阵探测,就可以实现对匀速运动目标的定向能力。首先,单垂直线列阵在对匀速直线运动目标的持续检测中可以实现对目标的速度估计;当相邻两个垂直线列阵探测到目标后可实现对其运动情况的分类和剔除;当第三个垂直线列阵探测到目标后可以实现对运动方向虚解的剔除,实现对目标运动轨迹的确定。该方法可用于海上大面积多垂直线列阵的布阵,提高对运动目标的探测范围与追踪能力。4.提出了基于多平面扩展阵协同布阵探测的主被动声呐联合布阵方法,从探测有效面积和可扩展性的角度分析了海上声呐优化布阵方法。平面扩展阵是用于声呐浮标的主要声呐阵型,也是海上多基地声呐的主要形式之一。从声呐有效探测面积及可扩展性出发,论文提出了非完全覆盖布阵方法。首先,通过误差分析和有效探测面积可扩展性的分析,确定主被动声呐之间合理的基线距离,为21/2倍的等效半径;进而用非完全覆盖布阵方法分析了三种不同布阵方式的经济性、利用率,针对不同的应用要求采用不同的阵型;最后,论文还对单发射-单接收、收发合置-单接收、单发射-双接收三种基本的主被动声呐组合方式进行了定位性能、扩展能力的分析。结果表明单发射-单接收是最好的扩展形式,扩展形式多样,扩展范围任意。5.结合实际声传播数据,分析了深海斜坡、深海海底山对声传播的影响,揭示了相应海底环境下的声传播特点并基于此提出了声呐布放建议。论文首先通过仿真分析总结了斜坡上“上坡传播”和“下坡传播”的特点,以及海底山对声传播的拦截效果。随后论文利用在中国南海采集的实验数据,以传播损失的形式对深海斜坡和海底山环境下的声传播特征进行了分析,并利用声场模型对实验数据获得的声传播特征进行了原理解释。最后基于对仿真分析和实验分析的结论提出了声呐布放的建议。在斜坡海域,对于接收深海过来的目标信号,接收声呐应布置于斜坡下半部,且布置间隔遵循“外密内疏”原则;在有海底山的情况时,应利用地形先验信息,将接收声呐布放于海底山周围,可以大概率地捕捉到声信号。