深海噪聲場航船密度噪聲建模與指向性分析

劉勛

（第七一五研究所，杭州，310023）

深海噪聲場航船密度噪聲建模與指向性分析

劉勛

（第七一五研究所，杭州，310023）

提出一種海洋環(huán)境噪聲中航船密度噪聲的建模方法，并以中國南海為例仿真了航船密度噪聲的指向性，分析了不同頻率聲源對航船密度噪聲指向性的影響，為大面積航船密度噪聲建模奠定了基礎。仿真結論對海洋環(huán)境噪聲建模具有參考價值。

深海；航船密度噪聲；指向性；仿真分析

在聲吶信號處理方案中，要充分掌握噪聲場的時空統(tǒng)計特性，使聲吶系統(tǒng)達到更高的信噪比。海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景噪聲場。近年來，人們對海洋環(huán)境噪聲進行了廣泛的研究，包括環(huán)境噪聲隨深度、頻率、地形和航船密度等環(huán)境因素的變化，以及環(huán)境噪聲的水平和垂直指向性等。艦船噪聲主要分布在海洋環(huán)境噪聲譜的幾十Hz到1000 Hz，是主要的低頻噪聲源[1]。航船密度噪聲的指向性對海洋環(huán)境噪聲指向性研究有著重要意義。本文提出了一種深海航船密度噪聲的建模方法，并對深海航船噪聲指向性特性進行了分析。

1 航船密度噪聲數(shù)學模型

航船密度噪聲的計算示意圖如圖1所示，下面做如下假設：（1）接收點位于坐標原點處，將海面噪聲源劃分為依賴于距離、方位角的環(huán)形網絡面源區(qū)域；（2）一個深度為zs、距離接收點距離為rj、且與x軸夾角為lβ的海面噪聲源在接收點處產生的復聲壓為；（3）距離表面噪聲源1 m處的歸一化復聲壓值取為1；（4）距離噪聲源1 m處的聲強級為，由海洋環(huán)境噪聲指向性評估系統(tǒng)（ANDES）給出[2]，參考值為1 μPa2/Hz/m2。單位面積內噪聲強度可表示為[3]：

將海面噪聲源加上隨機相位后按照劃分的面源網格進行疊加得到接收點處的復聲壓為：

式中Ψj是在[0,2π]之間的隨機相位，是單位面積的聲強。是隨距離和水平角變化的面積，。

圖1 航船密度噪聲計算示意圖

按照噸位大小將航船分成5類，分別為：超級油輪、大型油輪、商船、普通油輪和漁船。綜合考慮各種類型航船對單位面積內噪聲強度的貢獻，引入下式計算單位面積內的航船噪聲的聲強級：

式中st=1,2…5分別對應5種艦船類型；為每1 000 n mile2內其中一種類型艦船的個數(shù)，SSL(f,st)為其中一種類型艦船的噪聲聲源級。

2 航船密度噪聲指向性計算與特性分析

如圖2所示，在中國南海海域仿真了三條主要航線。聲速剖面選用經典的Munk聲速剖面，聲道軸臨界深度分別為1 100 m和4 060 m。垂直線列陣采用21個陣元，陣元間距為10 m，垂直陣位于圖2中*號處，位于深度為1 000～1 200 m處。圖中*為垂直陣布放位置。聲源頻率50 Hz。計算得到的航船密度噪聲的指向性如圖3所示，圖中縱坐標是俯仰角，橫坐標是方位角。由圖3可見，在航運密度較大的0°～90°方向（0°方向代表正東方向），有著較強的指向性，驗證了模型的正確性。

圖2 航船密度

圖3 50 Hz聲源指向性

圖中還可以看出在許多方位上垂直陣的垂直指向性在水平方向出現(xiàn)凹槽，主要分布在偏離水平方向的俯仰角上，其物理原因解釋如下：圖4分別是聲源的第2、40、80、110階模態(tài)，可以看出低階模態(tài)主要被限制在較深水域中，而高階模態(tài)可以分布在整個水域空間。因此，上層水域中的聲源可以與高階模態(tài)進行強耦合[4]，而與低階模態(tài)耦合很弱。所以垂直線列陣的接收聲場主要是由高階模態(tài)貢獻的。由圖5可以看出高階模態(tài)的到達角比較大，所以垂直指向性主要分布在較大的俯仰角范圍。

圖7為頻率100 Hz聲源的指向性?？梢钥闯?00 Hz聲源比50 Hz聲源垂直指向性的凹槽分布在更大的俯仰角上。其原因解釋如下：從圖7可以看出同樣是第五階模態(tài)，在淺海時低頻聲源比高頻聲源的模態(tài)在較淺的深度被激發(fā)；即在聲源深度處，高頻聲源比低頻聲源剛好被激發(fā)的模態(tài)階數(shù)高。而高階模態(tài)的到達角相對于低階模態(tài)到達角大，所以高頻聲源的指向性的俯仰角分布在更大的俯仰角度上。

圖4 聲源第2、40、80、110階模態(tài)

圖5 聲源的第110階模態(tài)在垂直陣上的響應。

圖6 100 Hz聲源指向性

圖7 50、100 Hz聲源第五階模態(tài)

3 結束語

深海航船密度噪聲的指向性能夠充分反映航船密度噪聲在深海波導中的傳播特性以及航運密度的分布情況。航船密度噪聲場的垂直指向性在水平方向出現(xiàn)凹槽，分布在較大的俯仰角上，并且隨著頻率的增加凹槽分布的角度更大。由于深海數(shù)據(jù)獲得較為困難，目前模型還沒有實際數(shù)據(jù)支持。

[1]PAUL C ETTER.水聲建模與仿真[M].蔡志明,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]RENNER W W.Ambient noise directionality estimation system (ANDES) technical description[J].Science Applications International Corporation,McLean,VA,SAIC-86/1645.DANM Evaluation Using Port Everglades Data,1986,23.

[3]CAREY W M.Standard definitions for sound levels in the ocean[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1995,20(2):109-113.

[4]JENSEN F B,KUPERMAN W A,PORTER M B,et al.Computational Ocean Acoustics[M].Springer,2011.

圖11 目標2匹配濾波輸出

圖12 目標2空間譜

如圖所示，由于陣列存在相位特性不一致，導致STMV檢測性能下降，這說明了STMV的寬容性較小，并不適用于主動聲吶。而寬容STMV擁有較高的寬容性，保持了良好的檢測性能。

6 總結

寬容STMV相比較于STMV，擁有更好寬容性和穩(wěn)定性，能夠有效地避免由于陣型畸變或者陣元幅相特性不一致而導致導向矢量計算誤差所產生的影響。子陣波束形成方法有效解決了該算法用于多陣元圓柱陣計算量過大的問題，提供高了算法的工程實現(xiàn)能力。實驗數(shù)據(jù)的分析結果從波束形成輸出空間譜和時間波形兩個方面驗證了寬容STMV應用于圓柱陣聲吶的有效性。

參考文獻：

[1]COX H.Resolving power and sensitivity to mismatch of optimum array processors[J].JASA,1973,54(3):771-785.

[2]KROLIK J,SWINGLER D.Multiple broadband source location using steered covariance matrices[J].IEEE,Acoustics Speech and Signal Processing,1989,37(10):1481-1494.

[3]董晉.一種適用于主動聲吶的寬容STMV波束形成方法[J].聲學與電子工程,2013,(1):42-45.

[4]BRIAN H MARANDA.Implementation of adaptive and synthetic-aperture processing schemes in integrated active-passive sonar systems[J].IEEE,Signal Processing,1998,86(2):358-376.

[5]LI J,STOICA P.Robust adaptive beamforming[J].New York:Wiley,2005.