南海夏季海洋环境噪声与海面风速相关特性分析∗

王　超†笪良龙　韩　梅　孙雪海

（海军潜艇学院　青岛　266071）

⋄研究报告⋄

南海夏季海洋环境噪声与海面风速相关特性分析∗

王超†笪良龙韩梅孙雪海

（海军潜艇学院青岛266071）

海洋环境噪声是影响潜艇作战及远程目标探测和定位的重要参数，由于海洋环境噪声具有很强的时空变异性，因此一种有效的手段是通过试验数据测量和处理了解特定海区的海洋环境噪声的统计特性。本文以2013年4月30日至8月1日，南海典型海域布放海洋环境噪声测量潜标系统所收录的环境噪声为研究对象。数据处理结果表明，在整个频率范围内，海洋环境噪声与对数风速具有很好的线性关系，但环境噪声随风速变化的斜率与频率相关，在1 kHz附近达到最大值。通过波束形成分析了海洋环境噪声的垂直指向性，并给出了“垂直方向噪声”、“水平方向噪声”和“全向噪声”与风速相关性分析结果。可以看出，在风浪噪声与远处航船噪声都有贡献的中频段，“垂直方向噪声”与海面风速的相关性好于“全向噪声”和“水平方向噪声”与海面风速的相关性，且“垂直方向噪声”随风速变化的斜率略大于“全向噪声”随风速变化的斜率。

海洋环境噪声，潜标系统，线性关系，垂直相干性

1　引言

海洋环境噪声是影响水声远程目标探测和定位的重要参数，为了提高水下探测的精度，加强对海洋环境噪声的了解成为了一个重要课题，值得关注的是，迄今我国对所属海区的海洋环境噪声基本特性的了解还很不够，一定程度上制约了水声装备的发展。众所周知，频率在50 Hz到500 Hz十倍频程范围内，远处航船是主要的噪声源［1-2］，在几百赫兹以上频率，海洋环境噪声级与海况有直接的关系，而且噪声级与测量水听器所在地的风速直接相关［2-3］，很多研究结果表明，海洋环境噪声与对数风速具有很好的线性关系［4-9］。1964 年Piggott［4］在浅海的测量结果可以看出，在高频段，谱级和对数风速大致都构成线性关系，在频率小于140 Hz的低频段，风速在大于25节后才对谱级有影响，1972年Birch和Burt［5］将此结果推广到深海。

本文利用海洋环境噪声测量潜标系统在南海典型海域测量的三个月海洋环境噪声，研究该海域海洋环境噪声级与海面风速的相关性。16通道海洋环境噪声测量系统每小时测量两分钟噪声信号，潜标系统是以ARM和FPGA为核心独立完成数据的采集和存储，且以嵌入式系统为平台，系统具有较低的自噪声和较高的可靠性。为了支持本次试验，国家海洋环境预报中心提供了噪声测量期间的风速和浪高数据，航船信息则通过AIS系统获得。图1给出了试验期间风速分布概率密度直方图。

图1　风速分布直方图Fig.1 Histogram of wind speed distribution

2　数据分析

海洋环境噪声信号是一种宽带的随机信号，在短时间内它可视为平稳过程，在测量系统回收后，要对原始信号进行适当的数据处理，通过数据处理分析，可以得到观测海区的海洋环境噪声谱级，以总结出所在海区环境噪声的变化规律。进行数据分析时，首先需对记录的信号进行数据浏览、有效性分析和截取，获得用于数据分析的样本，然后对数据样本进行加窗处理，以获得更好的频率分辨率和防止频谱泄漏，最后采用1/3倍频程功率谱分析海洋环境噪声。

噪声场具有复杂的空间结构，不仅要知道噪声场的时间特性，而且要知道其空间特性，其中垂直指向性是反映噪声场空间特性的重要参数之一，本文通过波束形成应用于接收阵列，以达到空间滤波的效果，从而得到各个到达角度上的噪声能量。N元等间距分布的垂直阵作波束形成处理求得噪声场的垂直指向性为［10］

其中S为互谱密度矩阵（N×N的埃尔米特矩阵），W为控制方向的列向量，其第n个元素为wneiφn，其中wn和φn分别为n号水听器的幅度加权和相位加权：

其中d为水听器间距，λ为波长。

3　结果分析与讨论

3.1环境噪声与风速相关特性

2013年4月30日至2013年8月1日，潜标系统连续记录环境噪声三个月，试验时间安排在南海休渔期，渔船活动少，可减少渔船对试验的不利影响。试验期间最小风速在1 m/s左右，最大风速达到15 m/s（由于试验期间有台风经过），图2给出了不同风速条件下（1～15 m/s），环境噪声谱级随频率变化特性，图3给出了环境噪声谱级随风速和频率变化的三维图显示，两图是由15号水听器接收到的环境噪声处理得到的结果。由图2和图3可以看出，在120 Hz以下频率，噪声谱级基本不随风速发生变化，这是由于远处航船噪声为此频率范围内的主要噪声源［1］。100 Hz至1 kHz十倍频程范围内，风速1 m/s时，1 kHz噪声谱级相对于100 Hz噪声谱级减小了约30 dB，随着风速增加，噪声谱级减小量减少，当风速最大为15 m/s时，1 kHz噪声谱级相对于100 Hz噪声谱级只减小了6 dB。由以上两图还可以看到，由于风速增加，风速15 m/s时的噪声谱级比风速1 m/s时的噪声谱级在1 kHz升高了近25 dB，而在低频段影响却很小。

对于环境噪声与风速的关系，1964年Piggott［4］在浅海的测量结果可以看出，在高频段（200 Hz以上频率），谱级和风速的对数大致都构成线性关系：

为了研究试验海域环境噪声谱级与风速的相关性，图4（a）～图4（i）给出了12 Hz至3.2 kHz频率范围内环境噪声谱级随对数风速变化曲线，图中直线是采用最小二乘法拟合公式（4）而得到的。

图2　不同风速条件下噪声谱级频率特性Fig.2 Spectrum level of ambient noise as a function of frequency at different wind speed

图3　环境噪声随频率和风速变化Fig.3 Ambient noise as a function of frequency and wind speed

图4　海洋环境噪声谱级随对数风速变化图Fig.4 Ambient noise level as a function of logarithmic wind speed

图4（a），图4（b）给出了频率12 Hz和20 Hz下噪声谱级与风速的关系图，可以看出在这两个频率下，噪声谱级随风速增大而增大，但随风速增大的增量较小，这是由于风产生的海洋湍流引起的低频噪声信号引起的。图4（c）～图4（e）给出了频率30 Hz 至200 Hz下噪声谱级与风速的关系，可以看出在30 Hz至 200 Hz的频率范围内噪声谱级基本不随风速发生变化，这是由于在中频段航船噪声是主要的噪声源［1］。图4（f）～图4（i）为400 Hz至3.2 kHz的噪声谱级随风速的变化，可以看出400 Hz以上的频率范围，环境噪声谱级与对数风速具有很好的增长关系，可以看出，此频率范围内噪声谱级随风速增大的斜率高于低频段。图5给出了拟合直线斜率n（f）随频率变化曲线，可以看出在30 Hz至200 Hz的中频段，噪声谱级随风速变化的斜率n（f）基本为0，在1 kHz附近，斜率n（f）达到最大。

图5　拟合曲线斜率n（f）随频率变化Fig.5 Fitting line slopes as a function of frequency

图6　噪声谱级与风速的互相关性曲线Fig.6　Cross correlation of ambient noise level with wind speed

为定量分析风速对噪声谱级的影响，图6给出了噪声谱级与海面风速的互相关性曲线，可以看出，在200 Hz以上的高频段，噪声谱级与海面风速具有非常好的相关性，30 Hz以下的低频段，噪声谱级与海面风速也具有一定的相关性，但此频段内的相关性较高频段相关性差，在30 Hz至200 Hz频率范围内，噪声谱级与海面风速相关性最差，这与前面的讨论结果一致。由图6可以归纳出，海洋环境噪声存在三种主要噪声源：（1）30 Hz以下由海面波动形成的海洋湍流，此噪声信号与风速仅有很微弱的关系；（2）30 Hz至200 Hz的中频段，远处航船是此频率范围内的主要噪声源；（3）在200 Hz以上的高频段，噪声源主要是风引起的海面扰动噪声。三种噪声源之间并没有明确的界限，每个频带内主要是哪种噪声源则与风速大小和航船有关［11］。

3.2各方向噪声谱级结果分析

通过波束形成应用于垂直接收阵可获得各个方向上的噪声能量，以用来分析各方向噪声谱级与海面风速的相关性。由早期的环境噪声研究结果可知［12-14］，水平角度来的环境噪声多为远处航船噪声所贡献，而海面风浪噪声则是影响水平角度以外较高角度的主要声源。

图7～图9给出了频率50 Hz、200 Hz和400 Hz下的噪声场垂直指向性，图中红点划线代表高风速（风速11 m/s）期间的垂直指向性，蓝实线代表低风速（风速3 m/s）期间的垂直指向性。可以看出频率50 Hz时，环境噪声水平方向上的能量在高风速期间略低于低风速期间，这可能是由于高风速造成水文的剧烈变动，使低频的远处航船噪声传播受到干扰而减弱，也可能因为高风速期间航船数量减少造成的。在200 Hz的垂直指向性图，高风速期间垂直角度的噪声能量有升高的现象，这是由于高风速条件下风浪噪声由大角度入射造成的。进一步观察50 Hz和200 Hz垂直指向性图，可以看出，在低风速时，入射角度大于±20°的噪声能量低于水平角度许多，表示此时环境噪声主要来自水平角度的方向，当风速增加时，这种噪声能量差减小。频率400 Hz时，在整个角度范围内，高风速期间的噪声能量都大于低风速期间的噪声能量，表明此时的噪声能量主要为表面风浪噪声所贡献。

图7　50 Hz噪声场垂直指向性Fig.7 Ambient noise vertical directionality at 50 Hz

我们定义来自垂直方向的噪声信号为“垂直方向噪声”，来自水平方向的噪声信号为“水平方向噪声”，并研究这两个方向噪声谱级与海面风速的相关性，图10给出了“垂直方向噪声”、“水平方向噪声”和“全向噪声”（波束形成之前的噪声信号）随风速变化斜率n（f）频率特性曲线。可以看出，在200 Hz 至600 Hz频率范围，“垂直方向噪声”随海面风速变化的斜率n（f）略大于“全向噪声”随风速变化的斜率，在200 Hz以上的高频段（风噪声为主要噪声源的频率范围），“全向噪声”和“垂直方向噪声”随风速变化的斜率n（f）远大于“水平方向噪声”随风速变化的斜率，200 Hz以下的低频段，三个方向噪声随海面风速变化的斜率基本相同，这是因为在此频率范围内风噪声不是主要噪声源。图11给出了三个方向噪声与海面风速的互相关性曲线，由图可以看出，在频率400 Hz以下，“垂直方向噪声”与风速的相关性好于“全向噪声”和“水平方向噪声”与风速的相关性，而且“水平方向噪声”与风速的相关性最差，这与前面讨论的海面风浪噪声是垂直方向的主要噪声源，而水平角度来的环境噪声多为远处航船噪声所贡献的结论一致。在频率较高的频段（800 Hz以上），整个频率范围内噪声源主要为海面风浪噪声，远处航船噪声贡献几乎为零，因此在频率800 Hz以上三个方向噪声与风速的相关性都很好，且几乎相同。

图8　200 Hz噪声场垂直指向性Fig.8 Ambient noise vertical directionality at 200 Hz

图9　400 Hz噪声场垂直指向性Fig.9 Ambient noise vertical directionality at 400 Hz

图10　三个方向噪声n（f）随频率变化Fig.10 Slopes of noise from three directions as a function of frequency

图11　三个方向噪声与风速的互相关性曲线Fig.11 Cross correlation of noise from three directions with wind speed

4　结论

本文利用潜标系统在南海典型海域开展的为期三个月的海洋环境噪声测量数据，研究了海洋环境噪声与海面风速的相关性，实验处理结果表明，海洋环境噪声与对数风速具有很好的线性关系。在200 Hz以上的高频段，噪声谱级与海面风速具有非常好的相关性，相关系数近似为1，这为我们以后利用环境噪声反演海面风速提供了实验依据。

通过波束形成应用于垂直接收阵获得了各个方向上的噪声能量，并给出了“垂直方向噪声”和“水平方向噪声”与海面风速的相关性结果，并与“全向噪声”进行比较，结果显示，在风浪噪声与远处航船噪声都有贡献的中频段，“垂直方向噪声”与海面风速的相关性好于“全向噪声”和“水平方向噪声”与海面风速的相关性，在200 Hz以上风浪噪声为主要噪声源的高频段，“全向噪声”和“垂直方向噪声”随风速变化的斜率n（f）远大于“水平方向噪声”随风速变化的斜率，在频率200 Hz以下，三个方向噪声随海面风速变化的斜率基本相同。

［1］WENZ G M.Acoustic ambient noise in the ocean：spectra and sources［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1962，34（12）：1936-1956.

［2］URICK R J.Principles of underwater sound［M］.New York：McGraw-Hill，1975：188-189.

［3］KNUDSEN V O，ALFORD R S，EMLING J W.Underwater ambient noise［J］.Mar.Res.，1948，7：410-429.

［4］PIGGOTT C L.Ambient sea noise at low frequencies in shallow water of the Scotian Shelf［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1964，36：2152-2163.

［5］WAYNE W W，BURT P J.The logarithmic dependence of surface-generated ambient-sea-noise spectrum level on wind speed［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1972，51（3）：1066-1072.

［6］CATO D H.Ambient sea noise in waters near Australia［J］. J.Acoust.Soc.Am.，1976，60（2）：320-328.

［7］MORRIS G B.Depth dependence of ambient noise in the northeastern Pacific Ocean［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1978，64（2）：581-590.

［8］SHOOTER J A，Gentry M L.Wind generated noise in the Parece Vela Basin［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1981，70（6）：1757-1761.

［9］BURGESS A S，KEWLEY D J.Wind generated surface noise source levels in deep water east of Australia［J］.J. Acoust.Soc.Am.，1983，73（1）：201-210.

［10］RACHEL M H.The theoretical responses of vertical and horizontal line arrays to wind-induced noise in shallow water［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1985，78（5）：1702-1712.

［11］笪良龙，王超，卢晓亭，等.基于潜标测量的海洋环境噪声谱特性分析［J］.海洋学报，2014，36（5）：54-60.

DA Lianglong，WANG Chao，LU Xiaoting，et al.The characteristic analysis of ambient sea noise spectrum based on submersible buoy［J］.Acta Oceanologica Sinica，2014，36（5）：54-60.

［12］FOX G R.Ambient noise directionality measurements［J］. J.Acoust.Soc.Am.，1964，36（8）：1537-1540.

［13］AXELROD E H，SCHOOMER B A，WINKLE W A.Vertical directionality of ambient noise in the deep ocean at a site near Bermuda［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1965，37（1）：77-83.

［14］KENNEDY R M，GOODNOW T V.Measuring the vertical directional spectra caused by sea surface sound［J］. IEEE，1990，15（4）：335-339.

Correlation property analyses of ambient noise with surface wind speed in summer of the South China Sea

WANG ChaoDA LianglongHAN MeiSUN Xuehai
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266071，China）

Ambient noise is an important parameter for affecting submarine warfare，remote target detection and localization.As ambient noise has a strong spatial and temporal variability，its statistical characteristics may be obtained by data processing from the measurement data.This article is based upon the ambient noise data collected using submersible buoy system in the South Sea from April 30，2013 to August 1.The results of data processing show that the ambient sea noise has linear relations with the logarithm of wind speed over the entire frequency region，but the slopes are markedly frequency dependent and reach maximum at 1 kHz. This paper analyzes the vertical directionality by beamforming and also gives the correlation result of“vertical directionality noise”，“horizontal directionality noise”and“omnidirectional noise”with wind speed.We can see that，in the mid-frequency band which includes wind generated noise and shipping noise，the correlation of“vertical directionality noise”with wind speed is better than the correlation of“omnidirectional noise”and “horizontal directionality noise”with wind speed.And the slopes of“vertical directionality noise”with wind speed are slightly larger than the slopes of“omnidirectional noise”with wind speed.

Ambient noise，Submersible buoy system，Linear relations，Vertical directionality

TN0427.5

A

1000-310X（2015）03-0243-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.009

2014-07-23收稿；2015-01-28定稿

∗国家自然科学基金项目（61203271）

王超（1988-），男，山东章丘人，博士研究生，研究方向：海洋环境噪声。†

E-mail：120107769@qq.com