南海夏季海洋環境噪聲與海面風速相關特性分析?

王　超?笪良龍　韓　梅　孫雪海

（海軍潛艇學院　青島　266071）

?研究報告?

南海夏季海洋環境噪聲與海面風速相關特性分析?

王超?笪良龍韓梅孫雪海

（海軍潛艇學院青島266071）

海洋環境噪聲是影響潛艇作戰及遠程目標探測和定位的重要參數，由于海洋環境噪聲具有很強的時空變異性，因此一種有效的手段是通過試驗數據測量和處理了解特定海區的海洋環境噪聲的統計特性。本文以2013年4月30日至8月1日，南海典型海域布放海洋環境噪聲測量潛標系統所收錄的環境噪聲為研究對象。數據處理結果表明，在整個頻率范圍內，海洋環境噪聲與對數風速具有很好的線性關系，但環境噪聲隨風速變化的斜率與頻率相關，在1 kHz附近達到最大值。通過波束形成分析了海洋環境噪聲的垂直指向性，并給出了“垂直方向噪聲”、“水平方向噪聲”和“全向噪聲”與風速相關性分析結果。可以看出，在風浪噪聲與遠處航船噪聲都有貢獻的中頻段，“垂直方向噪聲”與海面風速的相關性好于“全向噪聲”和“水平方向噪聲”與海面風速的相關性，且“垂直方向噪聲”隨風速變化的斜率略大于“全向噪聲”隨風速變化的斜率。

海洋環境噪聲，潛標系統，線性關系，垂直相干性

1　引言

海洋環境噪聲是影響水聲遠程目標探測和定位的重要參數，為了提高水下探測的精度，加強對海洋環境噪聲的了解成為了一個重要課題，值得關注的是，迄今我國對所屬海區的海洋環境噪聲基本特性的了解還很不夠，一定程度上制約了水聲裝備的發展。眾所周知，頻率在50 Hz到500 Hz十倍頻程范圍內，遠處航船是主要的噪聲源［1-2］，在幾百赫茲以上頻率，海洋環境噪聲級與海況有直接的關系，而且噪聲級與測量水聽器所在地的風速直接相關［2-3］，很多研究結果表明，海洋環境噪聲與對數風速具有很好的線性關系［4-9］。1964 年Piggott［4］在淺海的測量結果可以看出，在高頻段，譜級和對數風速大致都構成線性關系，在頻率小于140 Hz的低頻段，風速在大于25節后才對譜級有影響，1972年Birch和Burt［5］將此結果推廣到深海。

本文利用海洋環境噪聲測量潛標系統在南海典型海域測量的三個月海洋環境噪聲，研究該海域海洋環境噪聲級與海面風速的相關性。16通道海洋環境噪聲測量系統每小時測量兩分鐘噪聲信號，潛標系統是以ARM和FPGA為核心獨立完成數據的采集和存儲，且以嵌入式系統為平臺，系統具有較低的自噪聲和較高的可靠性。為了支持本次試驗，國家海洋環境預報中心提供了噪聲測量期間的風速和浪高數據，航船信息則通過AIS系統獲得。圖1給出了試驗期間風速分布概率密度直方圖。

圖1　風速分布直方圖Fig.1 Histogram of wind speed distribution

2　數據分析

海洋環境噪聲信號是一種寬帶的隨機信號，在短時間內它可視為平穩過程，在測量系統回收后，要對原始信號進行適當的數據處理，通過數據處理分析，可以得到觀測海區的海洋環境噪聲譜級，以總結出所在海區環境噪聲的變化規律。進行數據分析時，首先需對記錄的信號進行數據瀏覽、有效性分析和截取，獲得用于數據分析的樣本，然后對數據樣本進行加窗處理，以獲得更好的頻率分辨率和防止頻譜泄漏，最后采用1/3倍頻程功率譜分析海洋環境噪聲。

噪聲場具有復雜的空間結構，不僅要知道噪聲場的時間特性，而且要知道其空間特性，其中垂直指向性是反映噪聲場空間特性的重要參數之一，本文通過波束形成應用于接收陣列，以達到空間濾波的效果，從而得到各個到達角度上的噪聲能量。N元等間距分布的垂直陣作波束形成處理求得噪聲場的垂直指向性為［10］

其中S為互譜密度矩陣（N×N的埃爾米特矩陣），W為控制方向的列向量，其第n個元素為wneiφn，其中wn和φn分別為n號水聽器的幅度加權和相位加權：

其中d為水聽器間距，λ為波長。

3　結果分析與討論

3.1環境噪聲與風速相關特性

2013年4月30日至2013年8月1日，潛標系統連續記錄環境噪聲三個月，試驗時間安排在南海休漁期，漁船活動少，可減少漁船對試驗的不利影響。試驗期間最小風速在1 m/s左右，最大風速達到15 m/s（由于試驗期間有臺風經過），圖2給出了不同風速條件下（1～15 m/s），環境噪聲譜級隨頻率變化特性，圖3給出了環境噪聲譜級隨風速和頻率變化的三維圖顯示，兩圖是由15號水聽器接收到的環境噪聲處理得到的結果。由圖2和圖3可以看出，在120 Hz以下頻率，噪聲譜級基本不隨風速發生變化，這是由于遠處航船噪聲為此頻率范圍內的主要噪聲源［1］。100 Hz至1 kHz十倍頻程范圍內，風速1 m/s時，1 kHz噪聲譜級相對于100 Hz噪聲譜級減小了約30 dB，隨著風速增加，噪聲譜級減小量減少，當風速最大為15 m/s時，1 kHz噪聲譜級相對于100 Hz噪聲譜級只減小了6 dB。由以上兩圖還可以看到，由于風速增加，風速15 m/s時的噪聲譜級比風速1 m/s時的噪聲譜級在1 kHz升高了近25 dB，而在低頻段影響卻很小。

對于環境噪聲與風速的關系，1964年Piggott［4］在淺海的測量結果可以看出，在高頻段（200 Hz以上頻率），譜級和風速的對數大致都構成線性關系：

為了研究試驗海域環境噪聲譜級與風速的相關性，圖4（a）～圖4（i）給出了12 Hz至3.2 kHz頻率范圍內環境噪聲譜級隨對數風速變化曲線，圖中直線是采用最小二乘法擬合公式（4）而得到的。

圖2　不同風速條件下噪聲譜級頻率特性Fig.2 Spectrum level of ambient noise as a function of frequency at different wind speed

圖3　環境噪聲隨頻率和風速變化Fig.3 Ambient noise as a function of frequency and wind speed

圖4　海洋環境噪聲譜級隨對數風速變化圖Fig.4 Ambient noise level as a function of logarithmic wind speed

圖4（a），圖4（b）給出了頻率12 Hz和20 Hz下噪聲譜級與風速的關系圖，可以看出在這兩個頻率下，噪聲譜級隨風速增大而增大，但隨風速增大的增量較小，這是由于風產生的海洋湍流引起的低頻噪聲信號引起的。圖4（c）～圖4（e）給出了頻率30 Hz 至200 Hz下噪聲譜級與風速的關系，可以看出在30 Hz至 200 Hz的頻率范圍內噪聲譜級基本不隨風速發生變化，這是由于在中頻段航船噪聲是主要的噪聲源［1］。圖4（f）～圖4（i）為400 Hz至3.2 kHz的噪聲譜級隨風速的變化，可以看出400 Hz以上的頻率范圍，環境噪聲譜級與對數風速具有很好的增長關系，可以看出，此頻率范圍內噪聲譜級隨風速增大的斜率高于低頻段。圖5給出了擬合直線斜率n（f）隨頻率變化曲線，可以看出在30 Hz至200 Hz的中頻段，噪聲譜級隨風速變化的斜率n（f）基本為0，在1 kHz附近，斜率n（f）達到最大。

圖5　擬合曲線斜率n（f）隨頻率變化Fig.5 Fitting line slopes as a function of frequency

圖6　噪聲譜級與風速的互相關性曲線Fig.6　Cross correlation of ambient noise level with wind speed

為定量分析風速對噪聲譜級的影響，圖6給出了噪聲譜級與海面風速的互相關性曲線，可以看出，在200 Hz以上的高頻段，噪聲譜級與海面風速具有非常好的相關性，30 Hz以下的低頻段，噪聲譜級與海面風速也具有一定的相關性，但此頻段內的相關性較高頻段相關性差，在30 Hz至200 Hz頻率范圍內，噪聲譜級與海面風速相關性最差，這與前面的討論結果一致。由圖6可以歸納出，海洋環境噪聲存在三種主要噪聲源：（1）30 Hz以下由海面波動形成的海洋湍流，此噪聲信號與風速僅有很微弱的關系；（2）30 Hz至200 Hz的中頻段，遠處航船是此頻率范圍內的主要噪聲源；（3）在200 Hz以上的高頻段，噪聲源主要是風引起的海面擾動噪聲。三種噪聲源之間并沒有明確的界限，每個頻帶內主要是哪種噪聲源則與風速大小和航船有關［11］。

3.2各方向噪聲譜級結果分析

通過波束形成應用于垂直接收陣可獲得各個方向上的噪聲能量，以用來分析各方向噪聲譜級與海面風速的相關性。由早期的環境噪聲研究結果可知［12-14］，水平角度來的環境噪聲多為遠處航船噪聲所貢獻，而海面風浪噪聲則是影響水平角度以外較高角度的主要聲源。

圖7～圖9給出了頻率50 Hz、200 Hz和400 Hz下的噪聲場垂直指向性，圖中紅點劃線代表高風速（風速11 m/s）期間的垂直指向性，藍實線代表低風速（風速3 m/s）期間的垂直指向性。可以看出頻率50 Hz時，環境噪聲水平方向上的能量在高風速期間略低于低風速期間，這可能是由于高風速造成水文的劇烈變動，使低頻的遠處航船噪聲傳播受到干擾而減弱，也可能因為高風速期間航船數量減少造成的。在200 Hz的垂直指向性圖，高風速期間垂直角度的噪聲能量有升高的現象，這是由于高風速條件下風浪噪聲由大角度入射造成的。進一步觀察50 Hz和200 Hz垂直指向性圖，可以看出，在低風速時，入射角度大于±20°的噪聲能量低于水平角度許多，表示此時環境噪聲主要來自水平角度的方向，當風速增加時，這種噪聲能量差減小。頻率400 Hz時，在整個角度范圍內，高風速期間的噪聲能量都大于低風速期間的噪聲能量，表明此時的噪聲能量主要為表面風浪噪聲所貢獻。

圖7　50 Hz噪聲場垂直指向性Fig.7 Ambient noise vertical directionality at 50 Hz

我們定義來自垂直方向的噪聲信號為“垂直方向噪聲”，來自水平方向的噪聲信號為“水平方向噪聲”，并研究這兩個方向噪聲譜級與海面風速的相關性，圖10給出了“垂直方向噪聲”、“水平方向噪聲”和“全向噪聲”（波束形成之前的噪聲信號）隨風速變化斜率n（f）頻率特性曲線。可以看出，在200 Hz 至600 Hz頻率范圍，“垂直方向噪聲”隨海面風速變化的斜率n（f）略大于“全向噪聲”隨風速變化的斜率，在200 Hz以上的高頻段（風噪聲為主要噪聲源的頻率范圍），“全向噪聲”和“垂直方向噪聲”隨風速變化的斜率n（f）遠大于“水平方向噪聲”隨風速變化的斜率，200 Hz以下的低頻段，三個方向噪聲隨海面風速變化的斜率基本相同，這是因為在此頻率范圍內風噪聲不是主要噪聲源。圖11給出了三個方向噪聲與海面風速的互相關性曲線，由圖可以看出，在頻率400 Hz以下，“垂直方向噪聲”與風速的相關性好于“全向噪聲”和“水平方向噪聲”與風速的相關性，而且“水平方向噪聲”與風速的相關性最差，這與前面討論的海面風浪噪聲是垂直方向的主要噪聲源，而水平角度來的環境噪聲多為遠處航船噪聲所貢獻的結論一致。在頻率較高的頻段（800 Hz以上），整個頻率范圍內噪聲源主要為海面風浪噪聲，遠處航船噪聲貢獻幾乎為零，因此在頻率800 Hz以上三個方向噪聲與風速的相關性都很好，且幾乎相同。

圖8　200 Hz噪聲場垂直指向性Fig.8 Ambient noise vertical directionality at 200 Hz

圖9　400 Hz噪聲場垂直指向性Fig.9 Ambient noise vertical directionality at 400 Hz

圖10　三個方向噪聲n（f）隨頻率變化Fig.10 Slopes of noise from three directions as a function of frequency

圖11　三個方向噪聲與風速的互相關性曲線Fig.11 Cross correlation of noise from three directions with wind speed

4　結論

本文利用潛標系統在南海典型海域開展的為期三個月的海洋環境噪聲測量數據，研究了海洋環境噪聲與海面風速的相關性，實驗處理結果表明，海洋環境噪聲與對數風速具有很好的線性關系。在200 Hz以上的高頻段，噪聲譜級與海面風速具有非常好的相關性，相關系數近似為1，這為我們以后利用環境噪聲反演海面風速提供了實驗依據。

通過波束形成應用于垂直接收陣獲得了各個方向上的噪聲能量，并給出了“垂直方向噪聲”和“水平方向噪聲”與海面風速的相關性結果，并與“全向噪聲”進行比較，結果顯示，在風浪噪聲與遠處航船噪聲都有貢獻的中頻段，“垂直方向噪聲”與海面風速的相關性好于“全向噪聲”和“水平方向噪聲”與海面風速的相關性，在200 Hz以上風浪噪聲為主要噪聲源的高頻段，“全向噪聲”和“垂直方向噪聲”隨風速變化的斜率n（f）遠大于“水平方向噪聲”隨風速變化的斜率，在頻率200 Hz以下，三個方向噪聲隨海面風速變化的斜率基本相同。

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Correlation property analyses of ambient noise with surface wind speed in summer of the South China Sea

WANG ChaoDA LianglongHAN MeiSUN Xuehai
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266071，China）

Ambient noise is an important parameter for affecting submarine warfare，remote target detection and localization.As ambient noise has a strong spatial and temporal variability，its statistical characteristics may be obtained by data processing from the measurement data.This article is based upon the ambient noise data collected using submersible buoy system in the South Sea from April 30，2013 to August 1.The results of data processing show that the ambient sea noise has linear relations with the logarithm of wind speed over the entire frequency region，but the slopes are markedly frequency dependent and reach maximum at 1 kHz. This paper analyzes the vertical directionality by beamforming and also gives the correlation result of“vertical directionality noise”，“horizontal directionality noise”and“omnidirectional noise”with wind speed.We can see that，in the mid-frequency band which includes wind generated noise and shipping noise，the correlation of“vertical directionality noise”with wind speed is better than the correlation of“omnidirectional noise”and “horizontal directionality noise”with wind speed.And the slopes of“vertical directionality noise”with wind speed are slightly larger than the slopes of“omnidirectional noise”with wind speed.

Ambient noise，Submersible buoy system，Linear relations，Vertical directionality

TN0427.5

A

1000-310X（2015）03-0243-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.009

2014-07-23收稿；2015-01-28定稿

?國家自然科學基金項目（61203271）

王超（1988-），男，山東章丘人，博士研究生，研究方向：海洋環境噪聲。?

E-mail：120107769@qq.com