海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

徐功慧，陳鴻志，王二慶，韓引海

（91388部隊(duì)95分隊(duì),廣東 湛江 524022）

海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

徐功慧，陳鴻志，王二慶，韓引海

（91388部隊(duì)95分隊(duì),廣東 湛江 524022）

海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的干擾背景場(chǎng)，是影響主動(dòng)聲納探測(cè)能力、限制被動(dòng)聲納工作性能發(fā)揮的主要原因之一。文中詳細(xì)介紹了目前海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)的技術(shù)手段、測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了海洋環(huán)境噪聲1/3倍頻程帶寬內(nèi)的噪聲頻譜級(jí)計(jì)算方法和步驟。

海洋環(huán)境噪聲；數(shù)據(jù)處理；噪聲功率譜級(jí)

實(shí)際海洋環(huán)境中，海底地震和火山爆發(fā)、海面風(fēng)浪、海洋生物活動(dòng)、海上航運(yùn)和石油勘探等自然和人為活動(dòng)產(chǎn)生的聲波，在傳播過(guò)程中與海面、海底、水體等發(fā)生相互作用形成一個(gè)復(fù)雜的背景噪聲場(chǎng)，這些背景噪聲就是通常所說(shuō)的海洋環(huán)境噪聲。海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的干擾背景場(chǎng),會(huì)對(duì)聲納裝備的探測(cè)形成干擾，是限制被動(dòng)聲納工作性能發(fā)揮的主要因素之一。要提高聲納抗干擾的能力不僅需要掌握環(huán)境的噪聲譜，還要了解噪聲場(chǎng)的時(shí)空統(tǒng)計(jì)特性和差異,以及對(duì)海況的依賴(lài)關(guān)系，為此需要測(cè)量在不同季節(jié)(時(shí)間)和不同海區(qū)、不同海況條件下海洋環(huán)境噪聲頻帶聲壓級(jí)和噪聲譜級(jí)，深刻認(rèn)識(shí)海洋環(huán)境噪聲的時(shí)域、頻域和空域等特性，才能正確評(píng)價(jià)并提高聲納裝備的戰(zhàn)術(shù)性能。

1 海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)技術(shù)手段

海洋環(huán)境噪聲測(cè)量是對(duì)指定的海洋環(huán)境在規(guī)定的頻率內(nèi)進(jìn)行噪聲測(cè)量。基本的方法是使用抗流感噪測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)量海洋環(huán)境噪聲。目前采用三類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)：第一類(lèi)是基于測(cè)量船的測(cè)量方法,與水聲傳播實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法；第二類(lèi)是采用浮標(biāo)/潛標(biāo)的測(cè)量方法,用錨系浮標(biāo)/潛標(biāo)測(cè)量海洋環(huán)境噪聲具有公認(rèn)的優(yōu)越性，由于穩(wěn)定的聲接收基陣以及無(wú)工業(yè)噪聲，為在很寬頻段范圍（包括很低的次聲頻段）測(cè)量海洋環(huán)境噪聲特性提供了最佳條件；第三類(lèi)是利用海軍岸站聲納或者警戒系統(tǒng)（包括水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲特性的測(cè)量，也將是我國(guó)噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)，具有測(cè)量長(zhǎng)期性和能夠直接為聲納系統(tǒng)服務(wù)的特點(diǎn)。

2 海洋環(huán)境噪聲測(cè)量方法

圖1 海洋環(huán)境噪聲采集和處理的基本流程

海洋環(huán)境噪聲測(cè)量所使用的水聽(tīng)器，需要有較高的靈敏度。對(duì)于帶前置放大器的水聽(tīng)器，要求其前置放大器的本底噪聲級(jí)別要比較低。單個(gè)水聽(tīng)器陣元的技術(shù)要求如下：

（1） 自由場(chǎng)靈敏度不低于-185 dB，參考值 1 V/μPa；

（2）水聽(tīng)器等效噪聲和前置放大器以及其它電路總噪聲量級(jí)低于Wenz噪聲譜曲線的低限；

（3）在測(cè)量頻率范圍內(nèi)，各個(gè)水聽(tīng)器自由場(chǎng)靈敏度的不均勻性在±2 dB之內(nèi)；

（4）在頻率為50～20 kHz區(qū)間內(nèi)，其水平指向性圖與理想無(wú)指向性圖的偏差在±1.5 dB之內(nèi)；

（5）在頻率為50～20 kHz區(qū)間內(nèi)，垂直指向性的-3 dB波束寬度大于60°。

為了獲得精確的噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行A/D變換時(shí)，應(yīng)采用12位以上的A/D變換器，采樣率要高于51.2 kHz。在采樣之前，應(yīng)進(jìn)行寬帶抗混疊濾波器處理。

獼猴桃鮮果→清洗稱(chēng)量→破碎打漿→果膠酶酶解→調(diào)制→發(fā)酵→固液分離→二次發(fā)酵→低溫靜置→澄清過(guò)濾→調(diào)配→滅菌→成品[19-20]

3 海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)處理方法

海洋環(huán)境噪聲信號(hào)是一種寬帶的隨機(jī)信號(hào)，在短時(shí)間內(nèi)(一般是數(shù)分鐘內(nèi))它可視為平穩(wěn)過(guò)程,如圖2所示,海洋環(huán)境噪聲原始信號(hào)。海洋環(huán)境噪聲級(jí)的定義有3種，包括寬帶總聲級(jí)、窄帶聲級(jí)和譜級(jí)。寬帶總聲級(jí)是指從感興趣的低截止頻率到高頻截止頻率的這個(gè)寬頻段內(nèi)的噪聲總功率,如圖3所示；環(huán)境噪聲窄帶聲級(jí)是指某一窄帶內(nèi)的環(huán)境噪聲總功率；環(huán)境噪聲譜級(jí)是指在1 Hz帶寬內(nèi)環(huán)境噪聲功率按頻率的分布。寬帶海洋環(huán)境噪聲級(jí)可以提供信號(hào)所在海域的噪聲總體量級(jí)，使研究者對(duì)該海域的噪聲量級(jí)建立一個(gè)初步的概念，而窄帶噪聲級(jí)可以提供聲納所感興趣頻段內(nèi)噪聲的量級(jí)，為聲納的信號(hào)處理技術(shù)提供依據(jù)；環(huán)境噪聲譜級(jí)可以提供每個(gè)頻率處環(huán)境噪聲的具體量級(jí)，使研究者能對(duì)環(huán)境噪聲量級(jí)隨頻率的變化有詳細(xì)的了解，為聲納設(shè)計(jì)和使用者提供一個(gè)有效的“聲納作戰(zhàn)地圖”，有利于我方設(shè)計(jì)和選擇聲納使用頻段，進(jìn)一步地隱蔽我方目標(biāo)信號(hào)，提取敵方目標(biāo)。

在測(cè)量系統(tǒng)回收后，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，以獲得海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)、指向性和空間相關(guān)特性。將采集到的噪聲數(shù)據(jù)以每小時(shí)為單位分段，分段后使用FFT方法作功率譜分析。譜分析時(shí)，應(yīng)把數(shù)據(jù)再細(xì)分為多段，然后對(duì)多段數(shù)據(jù)分別作FFT，并保證FFT的頻率分辨率小于1 Hz。對(duì)每段數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行加窗處理。由于數(shù)據(jù)量較多，在數(shù)據(jù)分段時(shí)可以不用重疊。多段數(shù)據(jù)之間進(jìn)行功率譜平均，獲得該時(shí)間段的噪聲譜級(jí)。具體步驟為：

圖2 海洋環(huán)境噪聲原始信號(hào)圖

圖3 海洋環(huán)境噪聲寬帶總聲級(jí)

⑴1/3倍頻程平均功率譜計(jì)算

設(shè)有效噪聲信號(hào)為x（n），長(zhǎng)度為L(zhǎng)，將其按覆蓋分段法分為I段，每段長(zhǎng)度為N，N根據(jù)分辨率、方差要求選定。后按平滑平均周期圖法求出其平滑平均周期圖功率譜估計(jì)P(k)。設(shè)第 i段信號(hào)序列為 xi（n），則：將 xi（n）乘以窗函數(shù) w（n），再求 DFT，即：

式中：i=1，2，……，I

則第i段修正（加窗）周期圖為：

長(zhǎng)度為L(zhǎng)的整個(gè)實(shí)平穩(wěn)隨機(jī)序列 的功率譜估值Pn(k)是上述I個(gè)修正周期圖的指數(shù)平均，即

式中：1≤n≤I

對(duì)線性平均：

式中，k＝0，1，……，N－l

將Pn(k)或P(k)校正到工程上使用 S(k)，如100 mV正弦信號(hào)以 1 μV 為參考級(jí)，S（k）應(yīng)為 100 dB，此時(shí) Pn(k)或 P(k)與S(k)有一差值，應(yīng)扣除。這個(gè)差值與不同窗及樣點(diǎn)數(shù)有關(guān)。

⑵求1/3倍頻程帶寬總功率

式中：fh，fl分別為1/3頻程中心頻率fi的上下限頻率對(duì)應(yīng)的頻率位置；△f為頻率分辨率，等于fs／N。fs為采樣率。

⑶求帶寬歸一化的噪聲功率譜級(jí)SPL（fi）

⑷求噪聲譜源級(jí)

式中：M（fi）為水聽(tīng)器靈敏度；K（fi）為系統(tǒng)頻響；r為水聽(tīng)器到等效聲中心的距離；20lgr為距離r（m）處反平方規(guī)律衰減，必要時(shí)按本地水聲傳播特性進(jìn)行修正。

圖4 海洋環(huán)境噪聲1/3倍頻程平均功率譜級(jí)

⑸根據(jù)PSD(fi)求所測(cè)頻帶內(nèi)的總聲源級(jí)Lp

式中：n為帶寬內(nèi)包含的1/3倍頻程平均功率譜數(shù)。

在最終給出噪聲譜級(jí)時(shí)，應(yīng)注意要折算到1 Hz帶寬內(nèi)。為了方便和國(guó)外著名的Wenz噪聲曲線比較，通過(guò)積分求出1/3倍頻程帶寬內(nèi)的噪聲頻帶級(jí)，然后通過(guò)平均給出每個(gè)1/3倍頻程帶寬內(nèi)的噪聲頻譜級(jí),如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

海洋環(huán)境噪聲作為一種背景場(chǎng)，具有相對(duì)小的強(qiáng)度級(jí)別，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量設(shè)備性能要求比較高。環(huán)境噪聲同海區(qū)具體環(huán)境、航船分布、氣象、季節(jié)變化等因素密切相關(guān)，需要海洋水文氣象條件的同步觀測(cè)。從長(zhǎng)期測(cè)量和記錄角度來(lái)看，可以考慮采用沉底布放的潛標(biāo)接收形式，布放到感興趣、敏感的海域，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)記錄，這樣的數(shù)據(jù)分析才更具有統(tǒng)計(jì)意義。

[1]閻福旺，凌青，等.海洋水聲實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]R J尤立 克．水聲原理[M]．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990．

[3] 汪德昭,尚爾昌．水聲學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社,1981．

Ocean Ambient Noise Observation Technology and Signal Processing Methods

XU Gong-hui,CHEN Hong-zhi,WANG Er-qing,HAN Yin-hai
（Unit 91388,Zhanjiang Guangdong 524001,China）

Marine environmental noise is the interference background field of acoustic channels,it’s also the main factor affecting the detecting ability of active sonar and limiting the working performance of passive sonar.The observation technological means,measuring methods and the signal processing methods for ocean ambient noise are introduced.Based on observation data,the calculation methods and procedures of noise spectrum level on 1/3 octave bandwidth are detailedly analyzed.

ocean ambient noise;signal processing;noise power spectrum level

P716+.41，P733.22

A

1003-2029（2011）02-0069-03

2010-06-23

軍內(nèi)科研項(xiàng)目（HJ2009-04-05-01）

徐功慧（1968－），男，山東日照人，工程師，主要從事海洋環(huán)境與目標(biāo)特性測(cè)量研究