海洋声学和工程依靠波束成形和声源定位等先进技术来了解水下声音传播和现象。在本主题群中，我们将探讨波束形成和源定位的基本原理、应用和进展及其在海洋环境中的重要作用。
了解海洋声学中的波束成形
波束形成是一种用于聚焦定向信号的信号处理技术，是海洋声学的一个重要方面。在海洋工程领域，波束成形在水下通信、声纳系统和环境监测等各种应用中发挥着关键作用。
波束成形原理：
- 波束形成涉及组合来自多个水听器或换能器的信号以形成定向声能波束。
- 该过程旨在最大化特定方向的能量，同时最小化来自其他方向的干扰。
- 它利用算法和阵列处理技术来实现空间滤波和方向灵敏度。
波束形成在海洋声学中的应用：
波束形成技术广泛应用于各种海洋声学场景，包括：
- 水下声纳系统中的目标检测和跟踪。
- 通过被动声学监测来监测海洋生物和行为。
- 使用多波束回声测深仪绘制和测量海底和水下结构。
- 通过将传输信号集中到特定接收器来增强水下通信系统的性能。
波束成形技术的进步
近年来，波束成形技术的进步显着提高了其在海洋应用中的有效性和多功能性。这些进步包括：
- 自适应波束形成算法可以动态调整以适应不断变化的水下条件并减轻噪声、混响和干扰的影响。
- 集成人工智能和机器学习技术，根据实时数据和环境因素优化波束成形性能。
- 用于自主水下航行器 (AUV) 的紧凑型波束成形阵列的小型化和部署，可增强导航、避障和水下测绘功能。
海洋环境中的源定位
声源定位是确定水下声源的地理位置或方向的过程。这一概念是海洋声学不可或缺的一部分，在环境监测、海洋哺乳动物研究和水下安全行动中发挥着至关重要的作用。
源定位方法：
- 到达时间差 (TDOA) 技术涉及测量不同水听器接收到的信号的时间延迟，以对源位置进行三角测量。
- 基于幅度的定位方法利用接收到的信号幅度来估计声源的距离和方向。
- 混合方法结合了来自多个传感器的信息，例如测深数据、海洋学参数和声学测量，以准确定位水下现象。
源定位在海洋工程中的应用：
源定位在海洋工程中具有广泛的应用，包括：
- 检测和监测水下地震活动和火山喷发，用于预警系统。
- 跟踪和研究海洋哺乳动物及其迁徙模式，以进行保护和生态研究。
- 定位和识别潜在威胁，例如未经授权的船只或水下物体，以实现海上安全和防御目的。
源定位技术的进步
随着传感器技术和信号处理能力的进步，源定位的准确性和效率有了显着提高。这些进步包括：
- 将水声传感器与自主海洋观测系统集成，创建全面的环境监测网络，用于实时源定位和事件检测。
- 利用分布式声学传感器阵列（包括部署在光纤电缆上的阵列）来实现大空间尺度上的高分辨率源定位。
- 开发智能算法和数据融合技术，以增强声学特性可变的复杂海洋环境中声源定位的鲁棒性和可靠性。
挑战和未来方向
尽管波束形成和声源定位技术取得了进展，但仍然存在一些挑战，特别是在海洋声学和工程领域。这些挑战包括：
- 解决人为噪声和水下干扰对波束形成和源定位系统的准确性和可靠性的影响。
- 部署集成传感器网络和数据传输系统，在远程海洋环境中实现无缝、同步的数据收集和处理。
- 确保波束成形和源定位技术与新兴海洋自主系统和水下机器人的兼容性和互操作性。
未来，波束成形和源定位方面的进步预计将集中于增强其对不断变化的环境条件的适应性，与新兴海洋技术相结合，并扩大其对海洋科学、工程和保护工作的贡献。