海洋环境噪声观测技术及数据处理方法

徐功慧，陈鸿志，王二庆，韩引海

（91388部队95分队,广东 湛江 524022）

海洋环境噪声观测技术及数据处理方法

徐功慧，陈鸿志，王二庆，韩引海

（91388部队95分队,广东 湛江 524022）

海洋环境噪声是水声信道中的干扰背景场，是影响主动声纳探测能力、限制被动声纳工作性能发挥的主要原因之一。文中详细介绍了目前海洋环境噪声观测的技术手段、测量方法和数据处理方法，并根据实际测量的海洋环境噪声数据,详细分析了海洋环境噪声1/3倍频程带宽内的噪声频谱级计算方法和步骤。

海洋环境噪声；数据处理；噪声功率谱级

实际海洋环境中，海底地震和火山爆发、海面风浪、海洋生物活动、海上航运和石油勘探等自然和人为活动产生的声波，在传播过程中与海面、海底、水体等发生相互作用形成一个复杂的背景噪声场，这些背景噪声就是通常所说的海洋环境噪声。海洋环境噪声是水声信道中的干扰背景场,会对声纳装备的探测形成干扰，是限制被动声纳工作性能发挥的主要因素之一。要提高声纳抗干扰的能力不仅需要掌握环境的噪声谱，还要了解噪声场的时空统计特性和差异,以及对海况的依赖关系，为此需要测量在不同季节(时间)和不同海区、不同海况条件下海洋环境噪声频带声压级和噪声谱级，深刻认识海洋环境噪声的时域、频域和空域等特性，才能正确评价并提高声纳装备的战术性能。

1 海洋环境噪声观测技术手段

海洋环境噪声测量是对指定的海洋环境在规定的频率内进行噪声测量。基本的方法是使用抗流感噪测试系统来测量海洋环境噪声。目前采用三类测量系统：第一类是基于测量船的测量方法,与水声传播实验相结合的方法；第二类是采用浮标/潜标的测量方法,用锚系浮标/潜标测量海洋环境噪声具有公认的优越性，由于稳定的声接收基阵以及无工业噪声，为在很宽频段范围（包括很低的次声频段）测量海洋环境噪声特性提供了最佳条件；第三类是利用海军岸站声纳或者警戒系统（包括水下监测网络）进行海洋环境噪声特性的测量，也将是我国噪声监测技术发展的一个主要趋势，具有测量长期性和能够直接为声纳系统服务的特点。

2 海洋环境噪声测量方法

图1 海洋环境噪声采集和处理的基本流程

海洋环境噪声测量所使用的水听器，需要有较高的灵敏度。对于带前置放大器的水听器，要求其前置放大器的本底噪声级别要比较低。单个水听器阵元的技术要求如下：

（1） 自由场灵敏度不低于-185 dB，参考值 1 V/μPa；

（2）水听器等效噪声和前置放大器以及其它电路总噪声量级低于Wenz噪声谱曲线的低限；

（3）在测量频率范围内，各个水听器自由场灵敏度的不均匀性在±2 dB之内；

（4）在频率为50～20 kHz区间内，其水平指向性图与理想无指向性图的偏差在±1.5 dB之内；

（5）在频率为50～20 kHz区间内，垂直指向性的-3 dB波束宽度大于60°。

为了获得精确的噪声测量数据，在进行A/D变换时，应采用12位以上的A/D变换器，采样率要高于51.2 kHz。在采样之前，应进行宽带抗混叠滤波器处理。

猕猴桃鲜果→清洗称量→破碎打浆→果胶酶酶解→调制→发酵→固液分离→二次发酵→低温静置→澄清过滤→调配→灭菌→成品[19-20]

3 海洋环境噪声数据处理方法

海洋环境噪声信号是一种宽带的随机信号，在短时间内(一般是数分钟内)它可视为平稳过程,如图2所示,海洋环境噪声原始信号。海洋环境噪声级的定义有3种，包括宽带总声级、窄带声级和谱级。宽带总声级是指从感兴趣的低截止频率到高频截止频率的这个宽频段内的噪声总功率,如图3所示；环境噪声窄带声级是指某一窄带内的环境噪声总功率；环境噪声谱级是指在1 Hz带宽内环境噪声功率按频率的分布。宽带海洋环境噪声级可以提供信号所在海域的噪声总体量级，使研究者对该海域的噪声量级建立一个初步的概念，而窄带噪声级可以提供声纳所感兴趣频段内噪声的量级，为声纳的信号处理技术提供依据；环境噪声谱级可以提供每个频率处环境噪声的具体量级，使研究者能对环境噪声量级随频率的变化有详细的了解，为声纳设计和使用者提供一个有效的“声纳作战地图”，有利于我方设计和选择声纳使用频段，进一步地隐蔽我方目标信号，提取敌方目标。

在测量系统回收后，要进行适当的数据处理，以获得海洋环境噪声谱级、指向性和空间相关特性。将采集到的噪声数据以每小时为单位分段，分段后使用FFT方法作功率谱分析。谱分析时，应把数据再细分为多段，然后对多段数据分别作FFT，并保证FFT的频率分辨率小于1 Hz。对每段数据应进行加窗处理。由于数据量较多，在数据分段时可以不用重叠。多段数据之间进行功率谱平均，获得该时间段的噪声谱级。具体步骤为：

图2 海洋环境噪声原始信号图

图3 海洋环境噪声宽带总声级

⑴1/3倍频程平均功率谱计算

设有效噪声信号为x（n），长度为L，将其按覆盖分段法分为I段，每段长度为N，N根据分辨率、方差要求选定。后按平滑平均周期图法求出其平滑平均周期图功率谱估计P(k)。设第 i段信号序列为 xi（n），则：将 xi（n）乘以窗函数 w（n），再求 DFT，即：

式中：i=1，2，……，I

则第i段修正（加窗）周期图为：

长度为L的整个实平稳随机序列 的功率谱估值Pn(k)是上述I个修正周期图的指数平均，即

式中：1≤n≤I

对线性平均：

式中，k＝0，1，……，N－l

将Pn(k)或P(k)校正到工程上使用 S(k)，如100 mV正弦信号以 1 μV 为参考级，S（k）应为 100 dB，此时 Pn(k)或 P(k)与S(k)有一差值，应扣除。这个差值与不同窗及样点数有关。

⑵求1/3倍频程带宽总功率

式中：fh，fl分别为1/3频程中心频率fi的上下限频率对应的频率位置；△f为频率分辨率，等于fs／N。fs为采样率。

⑶求带宽归一化的噪声功率谱级SPL（fi）

⑷求噪声谱源级

式中：M（fi）为水听器灵敏度；K（fi）为系统频响；r为水听器到等效声中心的距离；20lgr为距离r（m）处反平方规律衰减，必要时按本地水声传播特性进行修正。

图4 海洋环境噪声1/3倍频程平均功率谱级

⑸根据PSD(fi)求所测频带内的总声源级Lp

式中：n为带宽内包含的1/3倍频程平均功率谱数。

在最终给出噪声谱级时，应注意要折算到1 Hz带宽内。为了方便和国外著名的Wenz噪声曲线比较，通过积分求出1/3倍频程带宽内的噪声频带级，然后通过平均给出每个1/3倍频程带宽内的噪声频谱级,如图4所示。

5 结语

海洋环境噪声作为一种背景场，具有相对小的强度级别，对实验技术和测量设备性能要求比较高。环境噪声同海区具体环境、航船分布、气象、季节变化等因素密切相关，需要海洋水文气象条件的同步观测。从长期测量和记录角度来看，可以考虑采用沉底布放的潜标接收形式，布放到感兴趣、敏感的海域，进行长时间监测记录，这样的数据分析才更具有统计意义。

[1]阎福旺，凌青，等.海洋水声实验技术[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]R J尤立 克．水声原理[M]．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990．

[3] 汪德昭,尚尔昌．水声学[M]．北京：科学出版社,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

军内科研项目（HJ2009-04-05-01）

徐功慧（1968－），男，山东日照人，工程师，主要从事海洋环境与目标特性测量研究