随着我国海洋技术逐渐从近浅海向深远海转移,深海目标探测技术也逐渐受到重视。但深海声速剖面的垂直分布特性制约了近表面声呐对中等距离目标的探测和定位。可靠声路径传播模式为填补“探测盲区”提供了可能。本文结合某国家重大项目,并在课题组已开展的研究工作基础上,深入研究了深海大深度声场空间相关性的基本变化规律。同时,利用声场的多途干涉特性,提出了包括目标测速、测距和测向在内的几种被动定位方法。相关理论和方法得到了数值仿真或实验数据的验证,为研究工作的进一步开展奠定了理论和应用基础。本文的具体研究工作和创新点如下:1.研究了深海大深度声场空间相关性的基本变化规律,基于射线理论推导了空间相关系数的理论计算公式中近距离深海大深度接收声场主要由直达波和海面反射波贡献,基于射线理论,对声场水平纵向相关性和垂直相关性进行了理论推导,给出了对应相关系数的理论计算公式,相关系数是宽带信号中心频率ω₀和直达波与海面反射波时延差（D-SR时延差）的函数。针对典型深海环境,通过数值仿真,分析了不同声源-接收几何位置关系对声场水平纵向相关性的影响,并从声场干涉角度解释了声场空间相关性变化的内在成因。利用西太平洋和南海实验数据,分别分析了深海大深度接收信号的水平纵向相关系数和垂直相关系数,实验结果证明了理论计算公式的正确性。研究结果有助于进一步优化深海大深度大孔径阵列设计方法和宽带阵列信号处理技术。2.研究了深海大深度声场的互相关特性,利用互相关条纹的周期振荡规律,提出了一种基于单水听器接收信号频域互相关的目标测速方法实验发现,运动目标激发的声场互相关呈现出两种明显的互相关条纹,根据声场互易性,基于射线理论,对深海大深度声场互相关进行了理论推导,研究了互相关条纹的形成成因。一种互相关条纹与目标径向运动速度有关,称为速度相关条纹;另一种互相关条纹与目标深度有关,称为深度相关条纹。通过傅里叶变换,将互相关条纹的振荡周期分别转换为目标径向运动速度信息和目标深度信息。针对目标运动轨迹包含一个最近通过点（Closest Point of Approach,CPA）的情形,两种互相关条纹相结合,提出了一种目标运动参数联合估计方法。针对远距离径向运动目标,利用速度相关条纹估计得到的目标径向运动速度在远距离处逐渐接近目标运动常速度;当目标距离未知时,通过深度相关条纹的振荡周期可以大体判别水面、水下目标。利用西太平洋实验数据,验证了所提目标运动参数估计方法的有效性。3.研究了深海大深度多途到达信号之间的空频域特性,提出了一种基于垂直阵波束输出的目标测距和目标深度分类方法在深海大深度接收条件下,多途到达信号的空域稀疏性使利用多途到达角估计目标位置成为可能。由于直达波到达角对目标距离变化敏感,提出了一种直达波到达角估计值与由模型计算得到的理论值相匹配的目标距离估计方法,得到目标距离模糊表面。常规波束输出频域振荡特性对目标深度变化敏感,提出了一种基于劳埃德镜原理的目标深度估计方法,得到目标深度模糊表面。两种模糊表面相结合,提出了一种无量纲的联合定位方法,其优势在于利用波束形成方法,充分增强了频域信号的干涉特性,使目标深度估计结果更为稳健。在联合定位方法基础上,根据水面、水下目标的深度变化特点,提出了一种不需要声场模型辅助的稳健的水面、水下目标分类方法,并利用射线模型划分了水下目标的检测区域和漏报区域。利用南海实验数据,验证了联合定位方法和水面、水下目标分类方法的有效性。4.研究了深海海底水平线列阵测向误差的基本变化规律,在可靠声路径探测范围内,提出了一种稳健的测向误差修正方法由于水声传播的多途效应和频散效应,在实际应用中,水平线列阵不可避免的会出现由水声物理传播特性引起的测向误差。针对典型深海环境,通过数值仿真,分析了海底水平线列阵测向误差随声源距离和声源方向的基本变化规律。研究发现,当信号从水平线列阵的端射方向入射时,测向误差最大,而信号从水平线列阵的正横方向入射时,测向误差为零。并且,无论信号从哪个方向入射到水平线列阵,估计得到的声源方向始终偏向于水平线列阵的正横方向。分别利用简正波理论和射线理论,分析了测向误差的变化成因。最后,在可靠声路径探测范围内,提出了一种稳健的测向误差修正方法,研究结果对于海底水平线列阵的测向应用具有重要的理论和工程应用价值。