基于實測海洋環境噪聲譜級的風速反演研究

魏永星，李國富，常 哲，于金花

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海洋環境噪聲也稱自然噪聲，是水聲信道中的一種干擾背景[1]，在海洋中無處不在，對聲吶工作產生干擾，對聲吶系統性能的發揮十分有害。近年來，人們利用水聽器對1 Hz～100 kHz的頻段內對噪聲進行了測量研究，顯著擴展了對噪聲源及其特性的認識，研究結果表明，噪聲源是多種多樣的，環境噪聲是這些源的綜合效應。由于噪聲源的發生機理各不相同，對應不同的頻段會有不同的特性，環境噪聲與風速等自然條件密切相關，自然條件的變化引起各部分譜線的形狀也發生相應變化。海洋環境噪聲源主要類型包括航船噪聲、風關噪聲、降雨噪聲和生物噪聲等，包含非常豐富的環境信息，備受海洋界和水聲界關注。目前世界形勢千變萬化，科技工作者充分掌握風關噪聲等相關特性，深刻認識海洋環境噪聲的時域、頻域、空間域等特點，才能準確評價聲學設備的性能，提高使用的范圍和精度，以及作用距離，這樣我們可以快速檢測干擾源，準確定位目標，提高水聲設備的性能；同時，也可利用聲學方式來監測海上風速，對風暴潮等海洋災害進行水下環境噪聲檢測系統自動化方式來實現全過程的檢測，以保障民生。

第一次世界大戰以來，世界各國科學家開始致力于水聲學的研究，同時進行聲吶設備的研制和開發，1948年KNUDSEN V O R等[2]在總結第二次世界大戰期間獲得的海洋環境噪聲數據的基礎上，提出了以海況或者風力作為參數的著名Knudsen譜，之后的研究表明海面風速與海洋環境噪聲的相關性比海況與海洋環境噪聲的相關性更好。美國海軍電子所科學家Wenz G M[3]在總結大量海洋環境中噪聲數據資料的基礎上，給出了Wenz噪聲譜級圖，明確了噪聲數據在1 kHz～10 kHz的頻段范圍內和風速的依賴關系相似。1960年，PIGGOTTC L等[4]利用布放深度為37 m和51 m的兩只水聽器在加拿大東部的斯科舍大陸架進行了長達一年的測量工作，得到的是3 000 Hz以下的不同風速對應的平均環境噪聲譜，得到淺海海域500 Hz以上的海洋環境噪聲譜級與風速的對數之間屬于線性關系。同時，CROUCH W W等[5]對百慕大附近的深海站位測量數據進行了分析，證明了風關噪聲與對數風速之間存在線性關系，并得到了深海50 kn風速、3 000 Hz以內頻段的風關噪聲譜。綜上所述，風關噪聲的經典譜分別為Wenz譜、Knudsen譜、Piggott譜和Crouch譜，這4種譜線可以適用于不同深度海區風關海洋環境噪聲估計參考。

國內水聲工作者對于風關海洋環境噪聲的研究日益重視，取得了比較有代表性的研究成果。車永剛等[6]針對幾種典型的海洋環境噪聲譜進行了詳細的分析與對比，研究了這幾種海洋環境噪聲譜之間的差異及差異產生的原因，探討了風速與噪聲譜級之間的對數關系；杭汝衡等[7]通過對連續測量得到的黃海北部水下環境噪聲，研究發現地域特殊性對環境噪聲的影響，推廣了PIGGOTT L和CROUCH W W等科學家們的研究結果，改進了海洋環境噪聲模型，發現海洋環境噪聲譜級隨著風速的增長會出現“V”型特點；林建恒等[8]利用船舷法分析了某海域的海洋環境噪聲與風速的相關關系，以及垂直分布特性，給出了所測海域的海洋環境噪聲在100 Hz～20 kHz頻段范圍內的寬帶聲級和接收深度，以及多種頻率譜級與風速的關系，數據處理和分析結果表明1 000～4 000 Hz頻段的海洋環境噪聲譜級值與當時的實測風速值的對數呈現比較良好的線性關系，而且噪聲譜級值與深度的變化關系不大，當地的風生海面破碎波浪噪聲對海洋環境噪聲影響較大，但是船舷法需要排除測試船的噪聲干擾，很難獲得長時間的連續測量。笪良龍等[9]通過對某海域獲得的海環境噪聲數據譜特性分析證明噪聲譜級與風速的相關程度在800～5 000 Hz頻段內最高，在一定風速范圍內風速越大，相關程度越高，基本不受深度影響，噪聲譜與風速的相關性要好于與浪高的相關性。王超等[10]通過對波束形成分析了海洋環境噪聲的垂直指向性，給出了“垂直方向噪聲”“水平方向噪聲”和“全向噪聲”與風速的相關性分析，結果表明在中頻段，“垂直方向噪聲”與風速的相關性結果好于“水平方向噪聲”和“全向噪聲”與風速的相關性，同時，“垂直方向噪聲”隨風速的變化斜率略大于“全向噪聲”隨風速變化的斜率。

本文首先分析海面風速的變化對海洋環境噪聲譜級的影響，得到不同深度海洋環境噪聲譜級與頻率的相關性，通過回歸分析法得到海洋環境噪聲譜級與風速對數的線性關系，根據線性關系利用海洋環境噪聲譜級值來反演海面風速，并進行誤差評估，最終找到合適的風速反演參數和頻段，為實現利用海洋環境噪聲譜級值反演風速數據奠定研究基礎。

1 試驗環境及設備簡介

本文使用的實測海洋環境噪聲數據來源于某海洋公益項目，試驗海區為南海某海域，得到的聲學數據時間跨度長，涵蓋豐富的聲學和環境特征。

此次試驗的設備為國家海洋技術中心自主研發的聲學測量系統，設備工作剖面圖如圖1所示，主要結構包括主浮體、信號調理與采集記錄儀、水聽器陣列、釋放器和重力錨等。該聲學測量系統自噪聲低，可靠性高，可實現立體、長時間連續的海洋環境噪聲觀測。該系統每小時工作兩分鐘采集海洋中的水聲信號，同時轉化為電信號存入信號調理與采集記錄儀中，系統回收后利用海洋環境噪聲數據處理軟件進行相應的噪聲信號數據處理分析，最終得到該海區的海洋環境噪聲譜級時空分布結果，為后續風關噪聲的分析奠定數據基礎。

圖1 聲學測量系統設備工作剖面圖

本文中使用的風速數據來源于美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析資料，空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為360 min。本文選取的風速數據點位盡量接近聲學測量系統所處海域。

此次試驗的時間跨度為94 d，通過長時間觀測得到的海洋環境噪聲數據處理結果更具有代表性。本文選擇的較有代表性的中心頻點有8個：100 Hz、200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz，覆蓋低頻、中頻和高頻段，以滿足研究需求。

2 數據處理方法簡介

2.1 海洋環境噪聲數據譜級分析

海洋環境噪聲是寬帶隨機信號，短時間內可以認為是平穩變化的過程。在測量系統回收后，需要對采集系統得到的原始數據信號進行處理，得到觀測海區的海洋環境噪聲譜級，譜級可以用來表達環境噪聲強弱，總結海區噪聲的變化規律。本文首先將原始的海洋環境噪聲時域數據進行數據瀏覽，有效性分析后進行截取，獲得數據分析樣本，之后對樣本數據進行分段傅里葉變換處理得到相應的噪聲譜級值，之后進行多段數據之間的功率譜平均，最終得到該時間段的1/3倍頻程噪聲譜級值，公式如下[11]。

式中，i=1，2，…，I；k=0，1，2，…，N-1。

第i段加窗周期圖如下。

長度為L的序列的功率譜估值線性平均P（k）如下。

式中，k=0，1，2，…，N-1。

經過實際水聽器靈敏度校正后可以得到真實的海洋環境噪聲譜級[12]。

3.2 海洋環境噪聲風速反演模型

對海洋聲學里的噪聲譜進行綜述和分析比較可以得到，估計深海風關噪聲時可以參考Wenz譜，因為Piggott譜是在淺海一年的數據中得出的結果，所以估計淺海風關噪聲時可以選擇參考Piggott譜。本文獲取的噪聲數據來自淺海海域，故后續風速反演研究參考的是Piggott譜。

根據PIGGOTTC L等對于海表風速與海洋環境噪聲譜級值的關系研究結果表示：風關噪聲的噪聲譜級值與風速的對數值大概成線性函數[13]，即

式中，SPL為海洋環境噪聲譜級值；a為截距；b為斜率；v為風速。

本文利用某海域得到的長時間實測數據進行不同深度、不同頻率海洋環境噪聲數據與風速的相關、回歸特性分析，尋找最優反演參數與頻段，為下一步的噪聲譜級反演風速數據奠定研究基礎。

3 實測風關海洋環境噪聲與風速數據分析

3.1 海試期間噪聲譜級與風速數據隨時間的變化

經計算得到此次海試期間的風速數據隨時間變化的序列如圖2（a）所示。本文將實測的海洋環境噪聲原始數據進行譜級分析，重點選取8個中心頻點100 Hz、200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz的噪聲譜級，隨時間的變化序列如圖2（b）所示。

從圖2中我們可以看出，100 Hz和200 Hz中心頻點處的海洋環境噪聲譜級基本不隨風速變化，500 Hz以上的中心頻點噪聲譜級與風速的變化趨勢重合度較高。

圖2 風速與海洋環境噪聲譜級值隨時間的變化序列

3.2 噪聲譜級與風速、深度的相關性分析

由于此次海試聲學測量設備的通道數為16，我們可以得到海洋環境噪聲隨深度變化的剖面數據結果，因此本節著重分析不同頻段、不同深度處海洋環境噪聲譜級與風速的相關程度，結果如圖3所示。

圖3 16個通道噪聲譜級值與風速的相關系數隨頻率的變化

從圖中我們可以看出，200 Hz以下頻段的海洋環境噪聲相關系數為-0.2～0.4，此頻段雖并非完全與海面風速無關，但是受捕撈、航運等人類活動的影響比較大；200～1 000 Hz頻段范圍內的海洋環境噪聲譜級值與風速數據屬于中度相關；1 000 Hz以上頻段范圍內海洋環境噪聲譜級值與風速數據屬于高度相關；噪聲與風速的相關程度隨深度變化基本一致，不隨深度發生較大變化。

3.3 定量分析風速對海洋環境噪聲譜級值的相關性影響

本節利用系統的第一通道噪聲數據定量分析風速對海洋環境噪聲譜級值的相關性影響，利用最小二乘回歸法對海洋環境噪聲譜級值和風速的數據進行線性擬合處理，得到結果如圖4所示。

圖4 不同中心頻點處噪聲譜級與風速對數的回歸曲線

通過對不同中心頻點處噪聲譜級與風速對數的回歸曲線分析，我們可以看出隨著分析頻率的增加，海洋環境噪聲譜級值的分布范圍更加集中，但是整體數據的離散程度仍然偏高，這主要是由于風速數據屬于后報數據，與現場的實際風速數據有所偏差，同時大風數據較少，另一方面聲學測量系統所處位置與海面仍有相當距離（約100 m）也導致相關性降低。

擬合曲線斜率a、截距b，以及噪聲譜級值與風速的相關系數r隨頻率的變化趨勢如圖5所示。

圖5 擬合曲線斜率a、擬合曲線截距b、相關系數r隨頻率的變化曲線

斜率a在100～800 Hz頻段范圍內隨著頻率的變大而增加，在800～8 000 Hz頻段范圍內隨著頻率的變大而減小，800 Hz處達到最大值；截距b在整個頻段范圍內隨著頻率的變大而減小；100 Hz以下頻段，海洋環境中噪聲譜級值與風速的相關系數r隨著頻率的增加而減小，100 Hz以上頻段，海洋環境中噪聲譜級值與風速的互相關系數r隨著頻率的變大而增大。

綜上所述，海洋環境噪聲譜級與海表風速的相關程度越好，截距越小，斜率越小。利用噪聲譜級值反演風速時盡量選擇1 000 Hz及以上高頻段，可以保證反演的準確度。

3.4 利用海洋環境噪聲數據反演風速

為驗證利用海洋環境噪聲數據反演風速的效果，本文對實測海洋環境噪聲譜級值進行了風速反演，選擇通道1得到海洋環境噪聲數據，中心頻點選擇1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz這4個頻點，時間段為6月21日至25日的數據。

根據本文3.3得到的擬合參數值斜率a、截距b，可以得到原始風速值及相應的反演風速值結果如圖6所示，同時計算其相關系數，平均誤差和均方根誤差等統計指標，如表1所示。

圖6 利用海洋環境噪聲譜級值反演海面風速與原始數據對比圖

表1 通道1風速反演統計結果

因為高頻段的海洋環境噪聲譜級值與海表風速的相關程度比較好，利用1 000 Hz及以上頻段噪聲值反演的風速值變化趨勢與原始風速值變化趨勢一致，峰值位置基本一致；其中8 000 Hz中心頻點的反演風速相關系數接近0.7，平均誤差1.5 m/s，均方根誤差2 m/s，與原始風速值相關性較高且具有較高穩定性。

為進一步驗證深度變化與海洋環境噪聲譜級值的相關關系，現將設備16個通道的海洋環境噪聲譜級值均進行風速反演，得到的誤差結果如圖7所示。

圖7 16通道利用海洋環境噪聲譜級值反演海面風速與原始數據誤差對比圖

從圖中可以看出，利用不同深度的海洋環境噪聲譜級值反演海面風速結果相近，變化趨勢一致；相應的誤差結果在2.5 m/s左右；誤差結果隨著頻率的增加而減小，誤差集中在2 m/s左右，因此，利用1 000 Hz以上的頻率進行海面風速反演可以得到比較準確的數據。

4 結 論

本文通過對某海域實測海洋環境噪聲數據，以及對應的風速數據進行相關、回歸分析等，可以得出以下研究結論。

（1）200 Hz以下的海洋環境噪聲與海表風速相關程度很低，原因是該頻段噪聲受到捕撈、航運等人類活動的影響較大，海面風不是主要影響因素；200～1 000 Hz頻段海洋環境噪聲譜級值與風速數據屬于中度相關，受海面風影響程度較大；1 000 Hz以上頻段海洋環境噪聲譜級值與風速數據屬于高度相關，相關性基本不隨深度發生較大變化。

（2）利用不同深度的海洋環境噪聲譜級值反演海面風速結果相近，變化趨勢一致；相應的誤差結果在2.5 m/s左右；誤差結果隨著頻率的增加而減小，高頻段反演誤差集中在2 m/s左右，因此，可以利用1 000 Hz以上的頻率進行海面風速反演，能夠得到比較準確的數據。

由于試驗期間的風速數據不是來自測量設備自帶的風速儀，而是來源于美國NCEP再分析資料，時間采樣率和空間分辨率較低。在后續研究過程中可以嘗試在聲學測量系統上安裝風速儀，得到實時的風速數據后可進行風延遲效應等相關分析，結果更準確也更具代表性。同時，風生海洋環境噪聲不僅與風速相關，還與當地聲速剖面、海底地質等相關，下一步將結合聲速、海底地質等背景場調查數據建立適用性更廣的風速反演模型。