冷战结束之后,国际水声界的理论和实验研究偏重于浅海,国内水声界的工作也主要集中在我国周边近海的大陆架浅海环境。但在近几年,随着西太和南海局势的发展,对深海水声技术的需求非常迫切。本文结合课题组参加的多次深海水声调查,研究了深海水声传播特性,并分析了其形成的物理机理。同时,从这些特性出发,提出了若干环境适应性强的稳健被动定位方法,并利用计算机仿真或海试数据验证。本文主要包括三个研究对象:表面波导、海底反射路径以及可靠声路径,具体研究内容包括:1.研究了表面波导中声传播的特点,从传播损失角度,提出了声呐主动发射和被动接收时的最优深度范围。为提高近海面声呐在深海工作时的性能,利用劳埃德镜原理和简正波模型分析了表面波导中声源-接收点的几何位置对中高频声传播的影响:首先,针对表面波导经典截止频率公式未考虑声源深度的缺点,提出了一种新的截止频率计算方法,用于指导声源的布放深度;再次,针对接收点位置的选择问题,提出了表面波导低传播损失层概念,并给出该层厚度的表达式,用于指导接收点的布放深度;最后,为提高接收阵列在表面波导工作时的输出信噪比,研究了声波的波达角随声源深度和声频率的变化规律,并基于简正波模型揭示了波达角变化的物理机理。2.针对深海中近距离目标探测存在盲区的问题,提出利用低频表面波导能量泄漏探测盲区的概念。声频率在经典截止频率附近或低于经典截止频率时,声波不会被完全限制在表面波导中传播,而是在传播中向表面波导下的声影区泄漏能量,从而“照亮”影区。利用简正波理论和几何绕射理论分析了泄漏声能量的传播特性。同时,能量泄漏引起了表面波导中能量的快速衰减,衰减系数与表面波导厚度和声频率密切相关。利用详细的仿真分析,拟合了衰减系数的表达式,揭示了表面波导厚度和声频率在影响衰减时的强耦合作用。3.针对深海目标探测定位的盲区问题,提出利用海底反射信号的到达结构定位目标的方法。不同于传播的匹配场定位方法,新的定位方法将声源距离和深度分开估计,估计精度更高,环境适应性更强。距离估计利用基于波达角信息的改进加权子空间拟合算法,考虑了阵列倾斜的影响。深度估计利用距离估计的后验信息,结合多途时延匹配给出目标深度信息。4.为提高深海目标探测的信噪比,并实现中近距离无盲区探测和定位,提出了利用深海可靠声路径定位目标的方法。首先分析了可靠声路径传播中多途到达结构随声源位置的变化规律,结果表明基于多途到达角的定位方法在该环境中适用。针对现有方法的复杂和不精确的多途到达角估计问题,本文利用改进加权子空间拟合算法实现目标定位,既使用了到达角信息,又无须估计到达角。5.为简化可靠声路径探测模式的系统配置,提出两种利用单水听器实现目标位置估计的方法。若利用可靠声路径的优点,将阵列布放在深海近海底位置,对阵列的技术要求较高,比较实用的方法是利用单水听器(或带有方向性的刚性平面阵)实现目标状态估计。本文提出利用迭代扩展卡尔曼滤波的方法估计宽带运动目标的位置:假设目标沿接收点的径向方向匀速运动,将目标的距离、深度和速度做为目标状态,构建状态方程;利用射线理论计算任意声源位置处,直达波和海面反射波的时延,作为观测方程;利用自相关函数估计直达波和海面反射波的时延随时间的变化,将其作为观测值。在可靠声路径中,单水听器定位还可以通过挖掘声场的干涉特征实现。当位于临界深度以下的水听器接收中距离声源发出的宽带信号时,将接收信号的频谱随声源距离的变化画成伪彩图,可以观察到明暗相间的条纹,本文定义为可靠声路径条纹。研究了该条纹形成的物理机理,使用简正波的射线描述方法对其进行建模,得到定量计算条纹频率-距离二维分布的方法。利用该条纹的二维分布与声源深度密切相关的特性,提出了两种分别适用于确定性环境和起伏环境情况的声源深度分类方法。