水中目标的被动测距一直是水声学研究领域的重要方面,Scholte波作为一种界面波,沿海水-海底分界面能够远距离传播,这一特性为海洋目标定位提供了可能的应用前景。为此,本文致力于利用地声对水中目标进行被动测距的研究。在浅海环境,人工爆炸声源(如TNT等)和舰船辐射噪声是海上实验常用的地声界面波激发源,具有频段范围较宽、信号特征明显等优点,故本文仅针对这两种典型的声源进行定位研究。首先,本文针对具有弹性海底的Pekeris模型以及在此模型上加入均匀弹性沉积层、非均匀弹性沉积层三种典型环境下进行声场的建模研究,仿真分析三种典型环境下Scholte波的频散特性,并对声矢量场特性进行了研究,为基于地声信号进行目标定位提供理论基础。然后在具有弹性海底的Pekeris模型下,针对宽带脉冲信号,构建海底界面处垂直波阻抗(声压与垂直振速之比)与声源位置信息的解析表达式,基于粒子滤波算法,对宽带脉冲声源进行定位。最后针对舰船目标,基于匹配场定位原理,定义代价函数为海洋波导频谱峰值对应的频率与海底界面处接收信号的频谱峰值对应的频率差值,对舰船目标进行定位。理论仿真和实验数据处理结果证明了针对宽带脉冲声源和舰船目标提出的定位方法的有效性与准确性。论文具体研究内容如下:1.典型环境下声场的建模及特性研究针对具有弹性海底的Pekeris模型以及在此模型基础上加均匀弹性沉积层、非均匀弹性沉积层三种典型环境下进行了声场的理论建模,其中在具有非均匀弹性沉积层的环境下,针对纵波声速n~2线性分布、横波声速平方线性分布的变参数弹性沉积层,由于纵波与横波声速随深度变化引起耦合,所以详细推导了该环境下声场势函数的近似解析解。仿真及实验数据处理结果表明,由于纵波与横波之间的耦合导致本征值减小,对远距离声场影响较大,考虑耦合可以提高远场声场预报精度。此外,研究了三种典型环境下Scholte波的激发以及频散特性。最后,理论推导了声矢量场的表达式,理论和仿真结果表明声压与水平振速的传播规律基本一致,而声压与垂直振速的传播规律相差较大,二者联合得到的垂直波阻抗随着距离起伏较大,包含了更丰富的声场信息,为基于垂直波阻抗对声源进行定位提供了理论基础。2.利用地声信号对爆炸声源进行定位针对爆炸声源,分别基于Scholte波频散特性和海底界面处垂直波阻抗进行了被动定位研究。爆炸声源为宽带脉冲声源,由于Scholte波频散特性,利用Scholte波不同频率处到达时间差以及群慢度差对距离进行估计,此种方法由于没有涉及声源深度信息,故而无法对声源深度进行估计。在利用海底界面处垂直波阻抗进行定位研究时,利用垂直波阻抗与声源位置的关系,将垂直波阻抗作为测量向量,构建测量方程,基于粒子滤波算法对声源进行定位,仿真和实验结果证明了方法的有效性。此外,仿真对比了声压作为测量向量时的定位性能,结果表明当声压作为测量向量时,声源深度将影响算法定位的准确性,而当垂直波阻抗作为测量向量时,算法的定位性能不受声源深度的影响。3.利用舰船辐射噪声对舰船进行定位舰船航行过程中,接收信号的频谱峰值对应的频率可以看作是海洋波导频谱峰值对应的频率受到目标声源频谱与声源位置(深度、距离)的共同作用的结果,定义接收信号的频谱峰值对应的频率与海洋波导频谱峰值对应的频率差值为代价函数,当代价函数最小时即为目标声源的深度与距离,仿真和实验处理结果表明该定位方法的有效性。在典型的声速剖面情况下进行仿真,结果表明方法能够有效进行目标距离估计,但是在深度估计时会出现多值现象,增加所选频段范围能够有效减少多值现象的出现。此外,无论辐射噪声功率谱是单纯的连续谱或是连续谱叠加线谱,仿真结果均表明定位方法能有效估计目标距离,当辐射噪声功率谱叠加线谱时会降低方法的定位精度,但可以通过增大使用频段范围提高方法的定位性能。