近日，厦门大学海洋与地球学院、导航与位置服务技术国家地方联合工程研究中心（厦门大学）童峰教授团队在超材料辅助单水听器水下定位研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Metamaterial-assisted single hydrophone underwater DOA estimation in multipath environments”为题，发表于遥感领域权威期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.该研究为解决复杂海洋环境下小型平台单阵元水下目标波达方向估计的技术难题提供了新思路。

研究背景

水下目标波达方向（DOA, Direction of Arrival）估计是水声阵列信号处理的核心技术之一，旨在通过接收阵列数据确定目标声源空间方位，在水下通信、导航、目标跟踪和海洋资源勘探等领域有重要应用。传统DOA估计需采用多个阵元组成的接收阵列来推算目标方位，然而对水下小尺寸平台而言，有限空间难以搭载大尺度多阵元阵列，严重制约DOA估计应用；同时，海面与海底引起的复杂水下多径干扰，进一步增加了水下目标DOA估计的难度。

声学超材料通过人工设计的亚波长结构单元可实现对声波相位、幅度等参数的灵活调控，从而为开展声波传播、吸收、聚焦等行为的精确控制及降噪、成像、DOA估计等应用提供了新的方向。然而，当前声学超材料DOA估计相关研究大多未考虑多径干扰，影响了该类方法在复杂水下环境的实际应用。

方法与结果

针对这一问题，研究团队深入分析水声传播特性调控物理机制及多径干扰对其造成的影响，设计并研制了一种“泪滴形”水声超材料外壳（如图1所示）。该外壳在低流阻外形下，通过内部随机化设置多孔腔结构增强亥姆霍兹谐振器声学调控性能，对入射声波施加“方向相关”传输特性调控效应；并进一步利用超材料调控特性构建方向相关频率调制(DDFF)矩阵，设计超材料辅助稀疏恢复解耦算法，分离信道多径时延和随机幅度对DOA估计造成的干扰（如图2所示），从而借助该超材料利用单个标量水听器实现水下多径环境下目标DOA估计。

图1 团队设计制作的水声超材料外壳

图2 团队提出的多径环境下超材料辅助单水听器DOA估计方法流程图

团队利用所设计的超材料外壳内嵌单水听器搭载于小型无人潜航器(AUV)，开展单水听器DOA估计湖试试验（如图3所示），结果表明，在存在明显多径干扰的实际水下环境中，所提方法基于单水听器有效实现水下目标DOA（如图4所示），主要性能指标优于传统方法。

(a) 湖试试验场景

(b) 湖试试验AUV及水下声源 (c) 配备超材料外壳AUV水下姿态

图3 湖试实验场景及设置

(a) RMSE (b) SR

图4 不同方法水下DOA估计湖试结果对比（RMSE为均方根误差，SR为定位成功率， MAMD-OMP为该文所提方法）

研究团队及资助

该论文第一作者为厦门大学博士研究生李嘉恒，通讯作者为童峰教授，合作者包括厦门大学博士研究生杨逍宇、周跃海副教授，香港科技大学郑家纯机器人研究院张福民教授。该研究得到国家自然科学基金国际（地区）合作项目（62461160314）以及香港特别行政区研究资助委员会基金项目（N_HKUST677/24、C6029-23G）的联合资助。

论文来源

J. Li, F. Tong, X. Yang, Y. Zhou and F. Zhang, Metamaterial-assisted single hydrophone underwater DOA estimation in multipath environments, in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2025, doi: 10.1109/TGRS.2025.3631897.

论文链接

https://ieeexplore.ieee.org/document/11244128

供稿：童峰 李嘉恒 

编辑：苏颖 

审核：李姜辉 曹知勉