基于單矢量水聽器的海洋環境噪聲方向性分析方法研究

曹雨露，楊曉剛，張 拓

(1. 大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013；2. 中國艦船研究院，北京 100102)

基于單矢量水聽器的海洋環境噪聲方向性分析方法研究

曹雨露1，楊曉剛2，張 拓1

(1. 大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013；2. 中國艦船研究院，北京 100102)

海洋環境噪聲場方向性是信號處理中背景噪聲抑制的基礎。本文基于矢量水聽器研究了海洋環境噪聲方向性分析方法以及各向異性的表征方法，分析了背景噪聲方向性與矢量水聽器對背景噪聲抑制能力的關系，并利用北黃海海域單矢量水聽器獲取的海洋環境噪聲數據，對海洋環境噪聲方向性分析方法進行了試驗驗證。結果表明：不同頻段的海洋環境噪聲場水平各向異性程度差異顯著；海洋環境噪聲水平方向性在特定頻段內具有顯著的不均勻性，且其方向性與航船分布情況一致。

海洋環境噪聲；方向性；各向異性；矢量水聽器

0 引 言

海洋環境噪聲是水下聲學探測的重要干擾場，深刻認識海洋環境噪聲的時間、頻域及空間特性是提高水下聲學設備性能的關鍵。海洋環境噪聲是一個復雜的系統，不均衡分布的海氣動力以及人類活動等因素使得海洋環境噪聲場是各向異性場，其具有復雜的空間方向性[1 – 2]。海洋環境噪聲方向性將直接影響著傳感器的空間增益，因此海洋環境噪聲場方向性分析是信號處理抑制背景噪聲的基礎。通常，海洋環境噪聲的方向性是利用垂直水聽器陣及圓形水聽器陣來進行研究的，對于具有寬頻帶分布的海洋環境噪聲來說，需要較大的基陣尺度。矢量水聽器可同步、共點地測量聲場的聲壓和3個正交振速分量，具有自然指向性，且與頻率無關。因此，可以采用單矢量水聽器研究海洋環境噪聲的空間方向性。

本文基于矢量水聽器研究海洋環境噪聲方向性分析方法以及各向異性的表征方法，分析背景噪聲方向性與矢量水聽器對背景噪聲抑制能力的關系，并利用北黃海海域單矢量水聽器獲取的海洋環境噪聲數據，對水平方向性分析方法進行了試驗驗證。

1 基于單矢量水聽器的海洋環境噪聲方向性分析方法

1.1 基于波束形成的海洋環境噪聲方向性分析方法

矢量水聽器輸出的是矢量信號，因此可以通過單矢量水聽器波束形成的方法分析海洋環境噪聲的方向特性。

因此，單矢量水聽器的波束響應為：

波束形成器的輸出功率為：

這種方法的優勢是可以用很少的數據樣本給出海洋環境噪聲方向性，但是心形指向性的波束寬度較寬，形成的方向性圖只能粗略地對海洋環境噪聲各向異性進行描述。

1.2 基于聲能流測向法的準空間譜估計方法

下面基于聲能流統計的方向性分析方法來研究海洋環境噪聲各向異性的表征方法。一般地，可以通過基陣的指向性以及噪聲、信號的方向性來計算增益，即

矢量水聽器的增益主要分為振速指向性空間增益和聲壓、振速相互運算得到的額外增益[6 – 7]。對于前者是指利用矢量水聽器固有的自然指向性通過空域濾波來抑制環境噪聲。對于后者，是在聲壓和質點振速共點同步獨立測量的基礎上利用海洋環境噪聲中各向同性成分有功聲強的相互抵消來抑制背景。噪聲場一般由各向同性分量和各向異性分量構成，時間積分后噪聲場各向同性分量的有功聲強會被抑制，而各向異性分量的有功聲強則在積分后凸現出來，因此這部分增益與海洋環境噪聲場聲能流的統計特性以及觀測時間帶寬積密切相關。

則下面公式體現出了有功聲強對海洋環境噪聲的抑制能力

2 基于單矢量水聽器的海洋環境噪聲方向性研究方法試驗驗證

利用北黃海海域單個同振式矢量水聽器獲取的海洋環境噪聲數據，對上述2種海洋環境噪聲分析方法進行了驗證。

圖1使用波束形成的方法給出了100～200 Hz和200～500 Hz頻段內海洋環境噪聲水平方向性在600 s內隨時間的變化規律，每組方向性對應的數據樣本長度為1 s，坐標系的角度為大地坐標系的方位角，徑向表示觀測時間的增加，測量裝置所處海域的行船主要分布在測試系統的南部。可見，波束形成法可以由少量的數據樣本得到海洋環境噪聲方向性的粗略估計，獲得的聲圖體現了海洋環境噪聲方向性隨時間而發生的變化與起伏，在該頻段海洋環境噪聲方向性與測試海域行船分布規律一致。

3 結 語

本文研究了基于矢量水聽器波束形成和聲能流統計的海洋環境噪聲方向性估計方法以及各向異性的表示方法，分析了背景噪聲方向性與矢量水聽器對背景噪聲抑制能力的關系，并利用北黃海海域單矢量水聽器獲取的海洋環境噪聲數據，對基于單矢量水聽器的海洋環境噪聲場方向性研究方法進行了試驗驗證，分別利用波束形成法和聲能流統計法分析了典型的海洋環境噪聲場水平方向性。結果表明，海洋環境噪聲場在水平面內體現出了明顯的各向異性，不同頻段的方向性差異明顯；海洋環境噪聲方向性隨時間起伏明顯；采用波束形成和聲能流統計2種方法獲得的方向性趨勢基本一致，在典型頻段內，海洋環境噪聲方向性與測試海域行船分布一致；對于時變的海洋環境噪聲，波束形成的方法可以有更高的時間分辨率，而使用聲能流統計法更具有統計性，獲得的方向性圖角度分辨率較高，更加細致地表現出海洋環境噪聲場的方向性。

[1]李家亮, 林建恒, 等, 噪聲源非均勻分布海洋環境噪聲水平聲能流理論分析[J], 聲學學報, 2014, 36(6). LI Jia-liang, LIN Jian-heng, et al. Theoretical analysis of acoustic energy flux of ocean ambient, noise caused by nonuniform distributed noise sources[J], Acta acustica, 2014, 36(6).

[2]ROSS, DONALD, Mechanics of under water noise. M: 1976.

[3]程錦房, 何希盈. 聲矢量探測原理及應用[M]. 北京: 兵器工業出版社, 2015.

[4]Гордиенко В А, Ильчев В И, Захаров, Л Н. Векторнофазовые методы в акустике. М: Наука, 1989.

[5]Захаров Л Н, Ржевский С М. Векторно-Фазовые измерения в акустических полях. М: Акуст, 1979.

[6]孫貴青, 矢量水聽器檢測技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2001. SUN Gui-qing. The study of detection technolgy based-on the vector hydrophone[D]. Harbin: Harbin Engineering University master graduate thesis, 2001.

[7]陶鵬. 矢量聲場的對消現象與相位特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2006. TAO Peng. Research on the phenomena of counteraction and phase property in the vector sound field[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2006.

Research on the method of the ocean environment noise directivity estimate base on single Vector Hydrophone

CAO Yu-lu1, YANG Xiao-gang2, ZHANG Tuo1
(1. Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China; 2. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101, China)

The ocean environment noise directivity is a base for background noise inhibition in signal processing. We do research for the method of the directivity analyse in ocean environment noise field and anisotropic token base on single Vector Hydrophone. Analysed the relationship between the background noise directivity and background noise inhibition ability by Vector Hydrophone. Do experiment of the method of the level directivity analyse base on the data of ocean environment noise in north Yellow Sea by Vector Hydrophone. There are two results that one is level anisotropy degree difference in ocean environment noise field is prominence in difference frequency, the other is the inhomogeneity of the ocean environment noise level directivity is prominence in some special frequency, which is the same as the ship distributing.

ocean environment noise；directivity；anisotropy；vector hydrophone

TB56

A

1672 – 7649(2017)07 – 0145 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.06.031

2017 – 04 – 28

曹雨露(1964 – )，男，高級工程師，主要從事目標水中特性研究和實艇測試分析。