海洋環(huán)境噪聲觀測技術(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，是影響主動聲納探測能力、限制被動聲納工作性能發(fā)揮的主要原因之一。文中詳細(xì)介紹了目前海洋環(huán)境噪聲觀測的技術(shù)手段、測量方法和數(shù)據(jù)處理方法，并根據(jù)實(shí)際測量的海洋環(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

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、海上航運(yùn)和石油勘探等自然和人為活動產(chǎn)生的聲波，在傳播過程中與海面、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，這些背景噪聲就是通常所說的海洋環(huán)境噪聲。海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的干擾背景場,會對聲納裝備的探測形成干擾，是限制被動聲納工作性能發(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，還要了解噪聲場的時(shí)空統(tǒng)計(jì)特性和差異,以及對海況的依賴關(guān)系，為此需要測量在不同季節(jié)(時(shí)間)和不同海區(qū)、不同海況條件下海洋環(huán)境噪聲頻帶聲壓級和噪聲譜級，深刻認(rèn)識海洋環(huán)境噪聲的時(shí)域、頻域和空域等特性，才能正確評價(jià)并提高聲納裝備的戰(zhàn)術(shù)性能。

1 海洋環(huán)境噪聲觀測技術(shù)手段

海洋環(huán)境噪聲測量是對指定的海洋環(huán)境在規(guī)定的頻率內(nèi)進(jìn)行噪聲測量。基本的方法是使用抗流感噪測試系統(tǒng)來測量海洋環(huán)境噪聲。目前采用三類測量系統(tǒng)：第一類是基于測量船的測量方法,與水聲傳播實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法；第二類是采用浮標(biāo)/潛標(biāo)的測量方法,用錨系浮標(biāo)/潛標(biāo)測量海洋環(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工業(yè)噪聲，為在很寬頻段范圍（包括很低的次聲頻段）測量海洋環(huán)境噪聲特性提供了最佳條件；第三類是利用海軍岸站聲納或者警戒系統(tǒng)（包括水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲特性的測量，也將是我國噪聲監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢，具有測量長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)境噪聲測量所使用的水聽器，需要有較高的靈敏度。對于帶前置放大器的水聽器，要求其前置放大器的本底噪聲級別要比較低。單個(gè)水聽器陣元的技術(shù)要求如下：

（1） 自由場靈敏度不低于-185 dB，參考值 1 V/μPa；

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

（3）在測量頻率范圍內(nèi)，各個(gè)水聽器自由場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)境噪聲信號是一種寬帶的隨機(jī)信號，在短時(shí)間內(nèi)(一般是數(shù)分鐘內(nèi))它可視為平穩(wěn)過程,如圖2所示,海洋環(huán)境噪聲原始信號。海洋環(huán)境噪聲級的定義有3種，包括寬帶總聲級、窄帶聲級和譜級。寬帶總聲級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)境噪聲窄帶聲級是指某一窄帶內(nèi)的環(huán)境噪聲總功率；環(huán)境噪聲譜級是指在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)境噪聲級可以提供信號所在海域的噪聲總體量級，使研究者對該海域的噪聲量級建立一個(gè)初步的概念，而窄帶噪聲級可以提供聲納所感興趣頻段內(nèi)噪聲的量級，為聲納的信號處理技術(shù)提供依據(jù)；環(huán)境噪聲譜級可以提供每個(gè)頻率處環(huán)境噪聲的具體量級，使研究者能對環(huán)境噪聲量級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，提取敵方目標(biāo)。

在測量系統(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、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。具體步驟為：

圖2 海洋環(huán)境噪聲原始信號圖

圖3 海洋環(huán)境噪聲寬帶總聲級

⑴1/3倍頻程平均功率譜計(jì)算

設(shè)有效噪聲信號為x（n），長度為L，將其按覆蓋分段法分為I段，每段長度為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：

長度為L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正弦信號以 1 μV 為參考級，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SPL（fi）

⑷求噪聲譜源級

式中：M（fi）為水聽器靈敏度；K（fi）為系統(tǒng)頻響；r為水聽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

⑸根據(jù)PSD(fi)求所測頻帶內(nèi)的總聲源級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時(shí)，應(yīng)注意要折算到1 Hz帶寬內(nèi)。為了方便和國外著名的Wenz噪聲曲線比較，通過積分求出1/3倍頻程帶寬內(nèi)的噪聲頻帶級，然后通過平均給出每個(gè)1/3倍頻程帶寬內(nèi)的噪聲頻譜級,如圖4所示。

5 結(jié)語

海洋環(huán)境噪聲作為一種背景場，具有相對小的強(qiáng)度級別，對實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測量設(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。從長期測量和記錄角度來看，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)行長時(shí)間監(jiān)測記錄，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)特性測量研究