采用被動聲監測方法識別波弗特海區域海洋水聲環境

謝志敏 徐全軍 李晟昊 衛翀華,4

(1 哈爾濱工程大學水聲工程學院 哈爾濱 150001)

(2 海軍參謀部軍事海洋環境建設辦公室 北京 100161)

(3 中國科學院聲學研究所 北京 100190)

(4 哈爾濱工程大學 極地海洋聲學與技術應用教育部重點實驗室 哈爾濱 150001)

0 引言

海洋環境是一個嘈雜的世界，無論是生物活動、自然活動還是人工活動，都會產生大量的噪聲，從而改變水下的聲學環境。因此，海洋水聲環境不是靜態的，而是在不同的時間尺度上波動。在極地地區，雖然海冰覆蓋會降低海面的風的影響，抑制海浪和氣泡的產生，從而降低環境噪聲，但是極區水下環境噪聲主要受到冰產生的聲音的嚴重影響，這些聲音包括冰山和海冰融化、冰裂、冰山崩解、冰山振動、移動冰塊之間的剪切和摩擦聲，且其具有季節性的起伏和隨機性的突發特性，并且也會受到大氣環境的影響。北冰洋海域聲學環境背景場特性研究，包括海洋環境背景噪聲水平[1-4]、組成成分[5-12]、環境噪聲特性[13-20]以及傳播特性[21-22]等，歷來是北極水聲研究的熱點。在過去的50 年中，對北冰洋冰下海洋環境噪聲的研究，主要通過被動噪聲監測的方式，或依托于在浮冰群中建立的冰站，在冰層下一定深度處懸掛水聽器，研究特定海洋環境噪聲源位置與海冰動力學的相關性[1-4]以及環境噪聲信號與其產生的物理過程之間的關系[5-9]；或通過在波弗特海中部署的一系列漂流浮標，提供一個北極低頻聲音的長期變化和空間一致性的最完整的記錄[15]；或利用座底水聽器，研究超低頻環境噪聲的來源以及特性[22]，或通過在楚科奇大陸坡上布放自容式水聽器，長期記錄水下噪聲以觀測環境噪聲時域和頻域的變化[23]。而對北冰洋環境噪聲方向性分布與冰源噪聲的精細關聯結構則通過各種復合陣列來觀測[12-14]。

近年來，由于氣候變化，北冰洋正在經歷著巨大的變化，最明顯的是夏季冰蓋的范圍和厚度迅速減少[24-25]以及海洋聲波導環境的改變[26-27]，以上兩點顯著改變了北極地區的聲學環境，北極的水聲環境正經歷著環境噪聲來源與組成成分的變化[23,28-29]，由此導致以前大量的測量結果與模型需要重新研究[30-31]。基于預先編程、自主的聲學記錄器在北極開展被動聲學觀測的方法，是極地水聲環境研究的主要手段，未來我國北極環境噪聲場數據必然會大量依靠現場布放的被動監測浮、潛標進行實時或準實時觀測，而不僅僅依靠單一的夏季科考活動。但是目前還沒有一種綜合的冰下環境場監測數據處理方法，這給聲學監測帶來了不便；并且北冰洋地區缺乏寬帶通信基礎條件，數據率有限，無法進行實時數據傳輸，只能回傳特性結果。因此，如何通過現有觀測方案和處理數據方法的探索，為脫離北極科考觀測和相應數據獲取，達到具備長期觀測能力，提供觀測技術和處理方法的支撐，特別是側重了解提取什么樣的參數組，可以刻畫北冰洋海洋環境噪聲的特性，需要進一步的研究。此外，如何利用新獲取的數據加以分析，與過去的公開發表的結論進行比較，以描述和理解北冰洋水聲環境的變化，也是研究重點之一。

本文利用2016 年8 月中國第七次北極科考隊在北冰洋浮冰站獲取的聲學觀測數據，采用時間序列分析和統計特性分析方法進行了分析處理，并討論了其與同時期獲取的海洋、大氣之間的聯系。針對冰下噪聲長期監測與實時特性回傳，選擇了可以用來描述冰下噪聲場統計特性的參數組，并給出了處理方法和流程，為實現達到北冰洋冰下噪聲場長期觀測的能力，指導研究設計和硬件選擇的目的。

1 觀測概況

1.1 觀測區域

中國第七次北極科考期間共進行了兩次聲學觀測實驗，其一在長期冰站LIC01 (82?52′59′′N 159?46′23′′W)，位于北極中央冰區，為多年冰：冰層厚度在1.0～1.6 m 之間，冰脊頂部約為2.0～2.7 m；其二在短期冰站SIC06 (76?18′61′′N 179?35′85′′E)，位于冰緣區，為初年堆積冰：由于風和流的影響，冰層堆積、冰脊較多，厚度在2.0～2.4 m 之間，冰脊頂部約為3.0～4.9 m，試驗期間的海冰分布變化衛星觀測圖如圖1 所示，數據來源于不萊梅大學，海洋預報中心處理https://seaice.uni-bremen.de/data/amsr2/asi_daygrid_swath/n3125/2016/aug/Arctic 3125/。

圖1 聲學觀測試驗作業海區海冰分布變化Fig.1 Sea ice distribution in the area of acoustic observation experiment

在楚科奇大陸架地區，這個地區近幾年出現了一個被稱為波弗特波導的海洋學現象，該波導的存在除了顯著改善聲傳播的條件，對低頻海洋環境噪聲也產生了顯著的影響。圖2 給出了通過實測的兩個站點溫鹽曲線計算得到的聲速剖面。從聲速剖面圖看，由于冰下暖水層的存在，將聲速剖面分成了0～40 m 的上表面聲道與50～200 m 的下表面聲道，形成了雙聲道波導。

圖2 試驗現場聲速剖面Fig.2 Sound velocity profile at test site

短期冰站聲學觀測試驗時間距離方位與現場圖如圖3 所示。在風及海流的影響下，短期冰站在2 h 內向北偏西方向漂流了約1 n mile。實驗過程中，環境溫度、瞬時風速等大氣環境數據通過雪龍船上氣象觀測設備獲取，海洋溫度剖面數據通過實驗期間投放的投棄式溫深儀(Expendable bathythermograph,XBT)獲取，冰下溫鹽深數據則通過布置在冰上的剖面式漂流浮標獲取。

圖3 短期冰站聲學觀測試驗時間距離方位與現場圖Fig.3 Time distance azimuth map and actual scene of acoustic observation test in short-term ice station

1.2 冰基觀測系統

本文所用的聲學數據來自冰上聲學觀測系統，其布局圖如圖4 所示。該系統由兩部分組成，其一為由6 枚智能水聽器icListen HF (接收電壓靈敏度為(-171±3) dB @ 10～100000 Hz，記為1號～6號陣元)構成的垂直陣，頻率范圍10～12000 Hz，采樣率32 kHz，分辨率24 位。6 個水聽器分為兩組，組間布置有自容式溫深儀，可根據不同的海洋環境靈活配置陣間距與布放深度；其二為在冰下不同位置處布放的TC4032 標準水聽器(差分輸出時，接收電壓靈敏度為(-164±3) dB @ 5～125000 Hz)，頻率范圍10～2500 Hz，采樣率32 kHz，分辨率24 位。在長期冰站多年冰下布放時，垂直陣陣元間距2 m，布放在上表面聲道內，覆蓋從12～22 m的水層，6號陣元最淺、1 號陣元最深，重點測量上表面聲道的環境噪聲特性，TC4032 布放在下表面聲道，深度約60 m。在短期冰站初年堆積冰下布放時，垂直陣組內每個水聽器間隔為2 m，最上層水聽器距離冰面40 m，組間間隔為10 m，6 號陣元最淺、1 號陣元最深，使得上下兩組水聽器分別布放在上下表面聲道內。TC4032布放在下表面聲道，深度約80 m。

圖4 智能水聽器及冰站接收系統布局圖Fig.4 Layout of intelligent hydrophone and ice station receiving system

2 處理方法

北冰洋冰下海洋環境噪聲被建模為一種加性混合噪聲，可以描述為緩慢變化的高斯背景噪聲和各種單個瞬態信號的疊加。其表達式如下：

式(1)中，b(t)是環境背景噪聲，si(t)是可區分的瞬態信號源，而系數μi是一個二進制變量，表示瞬態信號的存在(μi=1)或缺失(μi=0)。

海洋環境噪聲作為時間序列信號，現有的常用數據處理方法是譜分析，為國軍標推薦采用，也是國際上通行方法。首先計算功率譜密度(Power spectral density,PSD)(dB re 1 μPa2/Hz)來表征整體環境噪聲的級別。將所有數據分成10 min 一段的數據進行處理，每次取1 s 數據，使用Welch 算法(1 s 樣本、無重疊、Hanning 窗、1 Hz 頻率分辨率)，先計算每個時長為10 s 的數據段的短時平均功率譜，之后來估計10 min 數據的平均PSD，將得到的功率譜在10～500 Hz 內取平均值，以獲得PSD的估計，代表了10 min 內的長期環境噪聲。通過每個時長為10 s 的非重疊數據段算出的PSD，按照ANSI S1.11-2004 標準計算[32]，得到1/3 倍頻程譜級(TOLs)。

進一步，計算背景噪聲級(Acceptable noise level,ANL)(dB re 1 μPa2/Hz)來表征潛在的背景噪聲。ANL 在以前的極地水聲研究中已經被使用，它可以通過手動去除帶有瞬態信號的數據快照來估計[28-30]，這里使用自動提取算法，該方法在參考文獻[29]中提出。估計ANL的過程依賴于前述的數據段和相同的短時功率譜，不過與平均功率譜不同的是，ANL是根據每個頻率所有的譜值計算的第15百分位估算的。具體過程如下：首先，計算所有數據的頻率直方圖，以產生環境噪聲的PSD的經驗概率(EPSD)[33]。之后，將10 min ANL 數據在一個頻帶內平均，得到該頻帶的平均值。在這里，選擇的頻段是10～500 Hz，這種計算過程每個數據段進行一次。

接收到的海洋環境噪聲信號的寬帶聲壓級(Sound pressure level,SPL)表示為在整個文件持續時間(10 min)內計算的均方值，計算公式如下：

北冰洋冰下噪聲瞬態分量的存在，使得冰下概率分布偏離高斯分布，概率密度分布顯見拖尾，本文依據北極海域環境噪聲監測數據的時域幅度概率分布計算基本統計結果，首先從概率分布計算出偏度和峰度。偏度，是對不對稱的測量，定義為μ3/σ3，在這里μ3是均值的三階矩，σ是標準差。峰度，是對峰值的測量，定義為μ4/σ4。α穩定分布，是廣義上的高斯分布，被認為是適用于描述冰下環境噪聲的統計特性[31,34]，其特征函數完全由4 個參數α、β、γ、δ唯一確定。目前，已有多種α穩定分布的參數估計方法在不同情況下應用[35-37]。本文采用文獻[35]給出的方法對4個參數進行估計。

上述數據處理方法處理流程如圖5 所示。給出的時間序列分析處理、譜分析及寬帶聲壓級計算，用來分析冰下環境噪聲的譜級、接收源級、時間變化趨勢、起伏特性、背景噪聲特性、噪聲源特性，描述信號中的離散事件和趨勢；而時域統計分析，包括獲取均值、方差、偏度、峰度、α穩定分布的4個參數估計，可以用來刻畫環境噪聲時域模型，表征不同時間或地點的變異性和比較聲學環境。這些處理方法，在很多研究中已經采用，因此通過這些處理結果組成的參數組，可以與過去的公開發表的結論進行比較，以描述和理解北冰洋水聲環境的變化。

圖5 處理流程及結果參數組Fig.5 Process flowcharts and result parameter groups

3 觀測結果及分析

3.1 時間序列分析結果

垂直陣接收的波形則顯示了冰層以及雙聲道波導對海洋噪聲的影響，圖6(a)為長期冰站的結果，數據隨機抽取，可以看出，雖然雪龍號停靠在附近，輔機處于工作狀態，不可避免地抬高了整體噪聲水平，越靠近冰層，水聽器接收的信號相對較小，接收噪聲相對較低，譜級計算結果也支持該結論。這是由于垂直陣陣元都處在上表面聲道中，頂部覆蓋著大面積的多年冰，冰層起到了隔絕噪聲的作用，隨著海冰密集度、面積和厚度的增加，聲級減小，而遠處聲源的貢獻增大[38]。而由圖6(b)可以看出，越靠近冰層，水聽器接收的信號幅度相對變大，海洋噪聲相對較高。頻域的處理結果中差異更明顯，上下兩組水聽器明顯分開，譜級差異最大可達5 dB，這是由于垂直陣陣元上下兩組水聽器分別處在不同的波導中，并且該冰站處于海冰邊緣區，但冰層受風和海流的影響，冰脊的比例較大，成為潛在的噪聲源，對不同深度水聽器的接收產生了影響。

圖6 冰下垂直陣不同深度水聽器接收波形及譜分析Fig.6 The data waveform and spectral analysis of the different depth hydrophone of under-ice drift vertical array

圖7 給出了最深的1 號(15:20)水聽器所有時間段數據的平均譜級，圖7(b1)為短期冰站第一階段試驗時的數據，此時雪龍船距離短期冰站約為6.2 km，可以看出如不考慮冰站人員活動(02:20)與雪龍船航行噪聲(02:30)的影響，冰下的低頻環境噪聲起伏并不大；圖7(b2)為第二階段試驗時的數據，此時雪龍船距離短期冰站為2.7 km，接收端懸掛于冰邊緣的水下，此時的噪聲起伏比起第一階段來說要大得多。隨著雪龍船的接近以及垂直陣位置的改變，帶來噪聲的起伏，同時由于海水拍擊冰層邊緣，使得環境噪聲相對較高。

圖7 不同時間段噪聲平均譜級變化情況(數字代表時分)Fig.7 Variation of average spectral level of noise in different time periods

Roth 等[23]利用一個自容式聲學記錄儀測量了阿拉斯加州巴羅北部235 m 深的楚科奇海和波弗特海之間的大陸坡上的環境噪聲。月平均譜級表明，水面開放的月份的噪聲級最高(80～83 dB@20～50 Hz)，冰覆蓋月份的噪聲級較低(70 dB@50 Hz)。同時具有冰覆蓋和低風速的幾個月的噪聲級最低(65 dB @50 Hz)。而本文中冰下噪聲譜級分析結果表明與其結果中冰覆蓋月份的譜級接近，這一方面說明本文的測試結果具有一定代表性，同時也說明北冰洋海域噪聲具有明顯的時空差異。Makris等[6]認為堆積冰下噪聲具有大于1 h 的變化周期，而圖7 的結果與此結論相吻合。這個結論可用于指導對北極冰下噪聲的觀測間隔。

圖8給出了短期冰站試驗期間環境噪聲平均譜級與ANL 的變化情況，圖8(a)為實驗距離雪龍船62 km 時相對嘈雜的時間段，數字代表百分位數；圖8(b)中數字代表時分，分別為實驗開始時刻、雪龍船距離6.2 km時、雪龍船距離2.7 km時以及總的ANL。從兩圖可以看出，無論短時(10 s)或是長時間(170 min)，自動提取的ANL 比平均譜級更能反映平穩的環境噪聲。

圖8 短期冰站環境噪聲平均譜級與ANL 變化Fig.8 Variation of mean spectrum level and ANL of short-term ice station

3.2 冰下海洋環境噪聲與大氣環境的關系

圖9 給出了冰下海洋環境噪聲與大氣環境的關系，將10～500 Hz 頻段內噪聲分為兩個頻段進行處理，10～100 Hz 這個頻段一般認為其噪聲主要來自遠場[39]，100～500 Hz 頻段內被認為與當地風速有關系[14,23,38]。圖9(a1)為長期冰站10～100 Hz頻段內噪聲與風速的關系，圖9(a2)為100～500 Hz 頻段內噪聲與風速及氣溫的關系。在北極中央冰區的大面積冰下，當風速不大于4 m/s 時且不存在突變時，噪聲的幅度變化與風速的關系不大，大氣溫度的變化幅度很小，對噪聲的影響可以忽略。圖9(b1)結果顯示，在10～100 Hz 內噪聲的變化與本地風速之間不存在對應關系。圖9(b2)結果顯示，100～500 Hz內的噪聲幅度突變與本地風速突變之間存在一定的聯系；本地大氣溫度變化較小時，噪聲也不存在突變現象，這是因為氣溫的突變才會引起冰的熱裂解[7,10,40]，從而產生噪聲。

圖9 冰下噪聲與氣溫、風速的關系Fig.9 The relationship between underice noise and air temperature and wind speed

3.3 統計特性分析結果

在以往的文獻中，認為北極地區的半聲道有利于低頻(10～30 Hz)聲傳播[30]，并且該頻段可以涵蓋北冰洋地區特有的一些季節性洄游鯨目類的發聲頻段[41]，因此將2～500 Hz 的噪聲分解為不同的頻段：2～30 Hz、30～100 Hz、100～500 Hz 進行分析，分別對應北冰洋地區的優勢傳播頻段、遠場環境噪聲頻段和近場環境噪聲頻段。

按照噪聲來源不同，選擇了3 種不同的噪聲場景，因為它們每一種代表了試驗過程中遇到的3 種環境噪聲中的一種，分別是：近似背景噪聲(I類)、沖擊噪聲占優(II 類)以及船舶航行噪聲占優(III 類)。這3種噪聲是通過聽錄音并比較它們的頻譜水平來確定的。針對上下表面聲道，對以上3 種噪聲分別進行分布特性統計分析，結果在表1中給出。

表1 參數估計結果統計Table 1 Statistics of parameter estimation results

因為篇幅的關系，統計分布的結果只給出了30～100 Hz 段分布特征。為了分析基本統計結果與α穩定分布對冰下海洋環境噪聲統計特性描述的符合程度，將UTC 時間20160820015000 數據段30～100 Hz 頻段10 min 數據的時頻結果、基本統計結果、經驗概率分布統計結果和分布檢驗結果放在一起顯示，如圖10、圖11 所示。從圖中可以看出，統計分析結果，包括均值、方差、偏度、峰度、α穩定分布的4 個參數估計，可以用來刻畫環境噪聲模型，表征不同時間或地點的變異性和比較聲學環境。從表1 看出，這段數據中的沖擊噪聲主要來源是在2～30 Hz 頻段內很明顯的冰源噪聲，上表面聲道中α、β、γ、δ參數估計值分別為1.60、0.36、0.08、0.05，下表面聲道中α、β、γ、δ參數估計值分別為1.98、0.82、0.08、0.17。圖中給出的峰度結果對于分析噪聲是否存在強沖擊噪聲及線譜信號具有重要意義，各處理結果的峰度圖中黃色標記線為2，紅色標記線為3，峰度大于3，說明噪聲的分布與高斯噪聲相比較為陡峭，具有尖頂峰，而峰度小于3，則說明噪聲的分布與高斯噪聲相比較為平坦，具有平峰值。偏度與峰度類似，它也是描述噪聲分布形態的統計量，其描述的是某總體取值分布的對稱性，與α穩定分布中的β值存在一定的對應關系。

圖10 沖擊噪聲占優時上表面聲道噪聲分布特性(時間：0150)Fig.10 Noise distribution characteristics of upper duct when impact noise dominates(Time: 0150)

圖11 沖擊噪聲占優時下表面聲道噪聲分布特性(時間：0150)Fig.11 Noise distribution characteristics of lower duct when impact noise dominates (Time: 0150)

3.4 分析與討論

從以上的處理結果可以看出，在組成成分方面，接收到的北冰洋環境噪聲主要是海洋環境背景噪聲、各種離散聲學事件產生的瞬態沖擊噪聲以及包括船舶噪聲在內的人為噪聲；在水平空間分布方面，北極中央冰區與冰緣區的噪聲的形成和特性存在差別，北極中央冰區多年冰的冰下噪聲級要低于冰緣區初年冰下的噪聲級，在邊緣冰區，環境噪聲受風和海浪的影響引起了噪聲級的增加。

在深度變化方面，雙聲道波導的存在，與冰層相互作用，對冰下噪聲場的影響是顯著的，在上表面聲道中，100 Hz 以下的頻帶中，沖擊噪聲明顯，非高斯特性突出。而高頻噪聲與海冰相互作用，迅速衰減，如果在近場中不存在明顯的沖擊噪聲源，那么高頻段的噪聲分布接近高斯分布。而對下表面聲道而言，上表面聲道與冰的存在，相當于在其上形成一個空間濾波器，低頻環境噪聲被上表面聲道過濾，高頻被海冰過濾，具有比較低的噪聲；并且聲道內可形成在上下界面折射傳播的特點，來自于相當大范圍內的符合獨立同分布條件的噪聲事件疊加，造成了下表面聲道噪聲分布的穩定性。因此只有近場存在明顯的沖擊噪聲源時，才會偏離高斯分布。可以說，隨著深度的增加，在雙聲道波導之下，環境噪聲的幅度分布更趨于高斯分布。

在時間起伏方面，堆積冰下噪聲具有大于1 h的變化周期，這些結論與已發表的論文結果一致。

表2 給出了上述處理結果的數據量和計算頻次，分段數據長為10 min 時，以常用的低功耗芯片STM32為例，計算結果可在約1 min內給出[42-43]。當計算結果用浮點數表示時，采用極地地區常用的銥星通信作為數據傳輸手段，傳輸時間大約需要70 s，可以做到結果在計算頻次內回傳，從而做到準實時觀測。因此北極地區的冰下噪聲觀測間隔可以設置為1 h 以上，每1 h 觀測約10 min 的時長，可以反映冰下的噪聲特性，從而進行北冰洋海洋水聲環境的識別。

表2 處理結果的數據量與計算頻次統計Table 2 Statistics of data volume and calculation frequency of processing results

4 結論

針對基于被動聲學觀測的冰下水聲環境特性識別，提出了描述水聲環境特性的參數組，給出了分析結果，包括分段平均PSD、TOL、ANL 以及SPL等，用來描述冰下環境噪聲的譜級、接收源級、時間變化趨勢和起伏特性、背景噪聲特性、噪聲源特性，描述信號中的離散事件和趨勢；而時域統計分析結果，包括均值、方差、偏度、峰度、α穩定分布的4 個參數估計，可以用來刻畫環境噪聲時域模型，表征不同時間或地點的變異性和比較聲學環境。

堆積冰下噪聲具有大于1 h 的變化周期，冰下噪聲觀測間隔設置為1 h以上，每1 h觀測約10 min的時長，可以反映冰下的噪聲特性及其變化，在具備網絡通信的條件下，將處理結果回傳，可以實現北冰洋水聲環境的準實時觀測，適用于脫離北極科考進行冰下噪聲長期觀測和數據獲取，回傳的實測結果可以與已發表的結論進行比較，可以確切描述和理解北冰洋水聲環境的變化。

給出的處理方法和流程，可應用于整個北冰洋海域，為基于被動聲監測的冰下水聲環境識別，建立北冰洋冰下噪聲場長期觀測點，提供了研究設計思路和硬件選擇方案。

致謝本文工作得到中國第七次北極科學考察隊的后勤保障和支持，現場觀測過程中得到領隊夏立民、首席李院生大力支持以及雷瑞波、劉娜、李濤、楊成浩、孔彬等隊友的幫助，在此一并表示衷心感謝。