基于實(shí)測海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的風(fēng)速反演研究

魏永星，李國富，常 哲，于金花

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海洋環(huán)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(chǎn)生干擾，對聲吶系統(tǒng)性能的發(fā)揮十分有害。近年來，人們利用水聽器對1 Hz～100 kHz的頻段內(nèi)對噪聲進(jìn)行了測量研究，顯著擴(kuò)展了對噪聲源及其特性的認(rèn)識(shí)，研究結(jié)果表明，噪聲源是多種多樣的，環(huán)境噪聲是這些源的綜合效應(yīng)。由于噪聲源的發(fā)生機(jī)理各不相同，對應(yīng)不同的頻段會(huì)有不同的特性，環(huán)境噪聲與風(fēng)速等自然條件密切相關(guān)，自然條件的變化引起各部分譜線的形狀也發(fā)生相應(yīng)變化。海洋環(huán)境噪聲源主要類型包括航船噪聲、風(fēng)關(guān)噪聲、降雨噪聲和生物噪聲等，包含非常豐富的環(huán)境信息，備受海洋界和水聲界關(guān)注。目前世界形勢千變?nèi)f化，科技工作者充分掌握風(fēng)關(guān)噪聲等相關(guān)特性，深刻認(rèn)識(shí)海洋環(huán)境噪聲的時(shí)域、頻域、空間域等特點(diǎn)，才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)聲學(xué)設(shè)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(zhǔn)確定位目標(biāo)，提高水聲設(shè)備的性能；同時(shí)，也可利用聲學(xué)方式來監(jiān)測海上風(fēng)速，對風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害進(jìn)行水下環(huán)境噪聲檢測系統(tǒng)自動(dòng)化方式來實(shí)現(xiàn)全過程的檢測，以保障民生。

第一次世界大戰(zhàn)以來，世界各國科學(xué)家開始致力于水聲學(xué)的研究，同時(shí)進(jìn)行聲吶設(shè)備的研制和開發(fā)，1948年KNUDSEN V O R等[2]在總結(jié)第二次世界大戰(zhàn)期間獲得的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了以海況或者風(fēng)力作為參數(shù)的著名Knudsen譜，之后的研究表明海面風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)性比海況與海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)性更好。美國海軍電子所科學(xué)家Wenz G M[3]在總結(jié)大量海洋環(huán)境中噪聲數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，給出了Wenz噪聲譜級(jí)圖，明確了噪聲數(shù)據(jù)在1 kHz～10 kHz的頻段范圍內(nèi)和風(fēng)速的依賴關(guān)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(jìn)行了長達(dá)一年的測量工作，得到的是3 000 Hz以下的不同風(fēng)速對應(yīng)的平均環(huán)境噪聲譜，得到淺海海域500 Hz以上的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的對數(shù)之間屬于線性關(guān)系。同時(shí)，CROUCH W W等[5]對百慕大附近的深海站位測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，證明了風(fēng)關(guān)噪聲與對數(shù)風(fēng)速之間存在線性關(guān)系，并得到了深海50 kn風(fēng)速、3 000 Hz以內(nèi)頻段的風(fēng)關(guān)噪聲譜。綜上所述，風(fēng)關(guān)噪聲的經(jīng)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(qū)風(fēng)關(guān)海洋環(huán)境噪聲估計(jì)參考。

國內(nèi)水聲工作者對于風(fēng)關(guān)海洋環(huán)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(huán)境噪聲譜進(jìn)行了詳細(xì)的分析與對比，研究了這幾種海洋環(huán)境噪聲譜之間的差異及差異產(chǎn)生的原因，探討了風(fēng)速與噪聲譜級(jí)之間的對數(shù)關(guān)系；杭汝衡等[7]通過對連續(xù)測量得到的黃海北部水下環(huán)境噪聲，研究發(fā)現(xiàn)地域特殊性對環(huán)境噪聲的影響，推廣了PIGGOTT L和CROUCH W W等科學(xué)家們的研究結(jié)果，改進(jìn)了海洋環(huán)境噪聲模型，發(fā)現(xiàn)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨著風(fēng)速的增長會(huì)出現(xiàn)“V”型特點(diǎn)；林建恒等[8]利用船舷法分析了某海域的海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，以及垂直分布特性，給出了所測海域的海洋環(huán)境噪聲在100 Hz～20 kHz頻段范圍內(nèi)的寬帶聲級(jí)和接收深度，以及多種頻率譜級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系，數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果表明1 000～4 000 Hz頻段的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值與當(dāng)時(shí)的實(shí)測風(fēng)速值的對數(shù)呈現(xiàn)比較良好的線性關(guān)系，而且噪聲譜級(jí)值與深度的變化關(guān)系不大，當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)生海面破碎波浪噪聲對海洋環(huán)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(shí)間的連續(xù)測量。笪良龍等[9]通過對某海域獲得的海環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)譜特性分析證明噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的相關(guān)程度在800～5 000 Hz頻段內(nèi)最高，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)速越大，相關(guān)程度越高，基本不受深度影響，噪聲譜與風(fēng)速的相關(guān)性要好于與浪高的相關(guān)性。王超等[10]通過對波束形成分析了海洋環(huán)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(fēng)速的相關(guān)性分析，結(jié)果表明在中頻段，“垂直方向噪聲”與風(fēng)速的相關(guān)性結(jié)果好于“水平方向噪聲”和“全向噪聲”與風(fēng)速的相關(guān)性，同時(shí)，“垂直方向噪聲”隨風(fēng)速的變化斜率略大于“全向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率。

本文首先分析海面風(fēng)速的變化對海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的影響，得到不同深度海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與頻率的相關(guān)性，通過回歸分析法得到海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速對數(shù)的線性關(guān)系，根據(jù)線性關(guān)系利用海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值來反演海面風(fēng)速，并進(jìn)行誤差評(píng)估，最終找到合適的風(fēng)速反演參數(shù)和頻段，為實(shí)現(xiàn)利用海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值反演風(fēng)速數(shù)據(jù)奠定研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備簡介

本文使用的實(shí)測海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)來源于某海洋公益項(xiàng)目，試驗(yàn)海區(qū)為南海某海域，得到的聲學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度長，涵蓋豐富的聲學(xué)和環(huán)境特征。

此次試驗(yàn)的設(shè)備為國家海洋技術(shù)中心自主研發(fā)的聲學(xué)測量系統(tǒng)，設(shè)備工作剖面圖如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括主浮體、信號(hào)調(diào)理與采集記錄儀、水聽器陣列、釋放器和重力錨等。該聲學(xué)測量系統(tǒng)自噪聲低，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)立體、長時(shí)間連續(xù)的海洋環(huán)境噪聲觀測。該系統(tǒng)每小時(shí)工作兩分鐘采集海洋中的水聲信號(hào)，同時(shí)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)存入信號(hào)調(diào)理與采集記錄儀中，系統(tǒng)回收后利用海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相應(yīng)的噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)處理分析，最終得到該海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)時(shí)空分布結(jié)果，為后續(xù)風(fēng)關(guān)噪聲的分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 聲學(xué)測量系統(tǒng)設(shè)備工作剖面圖

本文中使用的風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析資料，空間分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為360 min。本文選取的風(fēng)速數(shù)據(jù)點(diǎn)位盡量接近聲學(xué)測量系統(tǒng)所處海域。

此次試驗(yàn)的時(shí)間跨度為94 d，通過長時(shí)間觀測得到的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)處理結(jié)果更具有代表性。本文選擇的較有代表性的中心頻點(diǎn)有8個(gè)：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(shù)據(jù)處理方法簡介

2.1 海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)譜級(jí)分析

海洋環(huán)境噪聲是寬帶隨機(jī)信號(hào)，短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為是平穩(wěn)變化的過程。在測量系統(tǒng)回收后，需要對采集系統(tǒng)得到的原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，得到觀測海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)，譜級(jí)可以用來表達(dá)環(huán)境噪聲強(qiáng)弱，總結(jié)海區(qū)噪聲的變化規(guī)律。本文首先將原始的海洋環(huán)境噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽，有效性分析后進(jìn)行截取，獲得數(shù)據(jù)分析樣本，之后對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分段傅里葉變換處理得到相應(yīng)的噪聲譜級(jí)值，之后進(jìn)行多段數(shù)據(jù)之間的功率譜平均，最終得到該時(shí)間段的1/3倍頻程噪聲譜級(jí)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(jīng)過實(shí)際水聽器靈敏度校正后可以得到真實(shí)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)[12]。

3.2 海洋環(huán)境噪聲風(fēng)速反演模型

對海洋聲學(xué)里的噪聲譜進(jìn)行綜述和分析比較可以得到，估計(jì)深海風(fēng)關(guān)噪聲時(shí)可以參考Wenz譜，因?yàn)镻iggott譜是在淺海一年的數(shù)據(jù)中得出的結(jié)果，所以估計(jì)淺海風(fēng)關(guān)噪聲時(shí)可以選擇參考Piggott譜。本文獲取的噪聲數(shù)據(jù)來自淺海海域，故后續(xù)風(fēng)速反演研究參考的是Piggott譜。

根據(jù)PIGGOTTC L等對于海表風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值的關(guān)系研究結(jié)果表示：風(fēng)關(guān)噪聲的噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速的對數(shù)值大概成線性函數(shù)[13]，即

式中，SPL為海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值；a為截距；b為斜率；v為風(fēng)速。

本文利用某海域得到的長時(shí)間實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行不同深度、不同頻率海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速的相關(guān)、回歸特性分析，尋找最優(yōu)反演參數(shù)與頻段，為下一步的噪聲譜級(jí)反演風(fēng)速數(shù)據(jù)奠定研究基礎(chǔ)。

3 實(shí)測風(fēng)關(guān)海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速數(shù)據(jù)分析

3.1 海試期間噪聲譜級(jí)與風(fēng)速數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化

經(jīng)計(jì)算得到此次海試期間的風(fēng)速數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的序列如圖2（a）所示。本文將實(shí)測的海洋環(huán)境噪聲原始數(shù)據(jù)進(jìn)行譜級(jí)分析，重點(diǎn)選取8個(gè)中心頻點(diǎn)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(jí)，隨時(shí)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(diǎn)處的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)基本不隨風(fēng)速變化，500 Hz以上的中心頻點(diǎn)噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的變化趨勢重合度較高。

圖2 風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值隨時(shí)間的變化序列

3.2 噪聲譜級(jí)與風(fēng)速、深度的相關(guān)性分析

由于此次海試聲學(xué)測量設(shè)備的通道數(shù)為16，我們可以得到海洋環(huán)境噪聲隨深度變化的剖面數(shù)據(jù)結(jié)果，因此本節(jié)著重分析不同頻段、不同深度處海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的相關(guān)程度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 16個(gè)通道噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)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(huán)境噪聲相關(guān)系數(shù)為-0.2～0.4，此頻段雖并非完全與海面風(fēng)速無關(guān)，但是受捕撈、航運(yùn)等人類活動(dòng)的影響比較大；200～1 000 Hz頻段范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速數(shù)據(jù)屬于中度相關(guān)；1 000 Hz以上頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速數(shù)據(jù)屬于高度相關(guān)；噪聲與風(fēng)速的相關(guān)程度隨深度變化基本一致，不隨深度發(fā)生較大變化。

3.3 定量分析風(fēng)速對海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值的相關(guān)性影響

本節(jié)利用系統(tǒng)的第一通道噪聲數(shù)據(jù)定量分析風(fēng)速對海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值的相關(guān)性影響，利用最小二乘回歸法對海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值和風(fēng)速的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合處理，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同中心頻點(diǎn)處噪聲譜級(jí)與風(fēng)速對數(shù)的回歸曲線

通過對不同中心頻點(diǎn)處噪聲譜級(jí)與風(fēng)速對數(shù)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(huán)境噪聲譜級(jí)值的分布范圍更加集中，但是整體數(shù)據(jù)的離散程度仍然偏高，這主要是由于風(fēng)速數(shù)據(jù)屬于后報(bào)數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場的實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)有所偏差，同時(shí)大風(fēng)數(shù)據(jù)較少，另一方面聲學(xué)測量系統(tǒng)所處位置與海面仍有相當(dāng)距離（約100 m）也導(dǎo)致相關(guān)性降低。

擬合曲線斜率a、截距b，以及噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)r隨頻率的變化曲線

斜率a在100～800 Hz頻段范圍內(nèi)隨著頻率的變大而增加，在800～8 000 Hz頻段范圍內(nèi)隨著頻率的變大而減小，800 Hz處達(dá)到最大值；截距b在整個(gè)頻段范圍內(nèi)隨著頻率的變大而減?。?00 Hz以下頻段，海洋環(huán)境中噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)r隨著頻率的增加而減小，100 Hz以上頻段，海洋環(huán)境中噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速的互相關(guān)系數(shù)r隨著頻率的變大而增大。

綜上所述，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與海表風(fēng)速的相關(guān)程度越好，截距越小，斜率越小。利用噪聲譜級(jí)值反演風(fēng)速時(shí)盡量選擇1 000 Hz及以上高頻段，可以保證反演的準(zhǔn)確度。

3.4 利用海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)反演風(fēng)速

為驗(yàn)證利用海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)反演風(fēng)速的效果，本文對實(shí)測海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值進(jìn)行了風(fēng)速反演，選擇通道1得到海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，中心頻點(diǎn)選擇1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz這4個(gè)頻點(diǎn)，時(shí)間段為6月21日至25日的數(shù)據(jù)。

根據(jù)本文3.3得到的擬合參數(shù)值斜率a、截距b，可以得到原始風(fēng)速值及相應(yīng)的反演風(fēng)速值結(jié)果如圖6所示，同時(shí)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，平均誤差和均方根誤差等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

圖6 利用海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值反演海面風(fēng)速與原始數(shù)據(jù)對比圖

表1 通道1風(fēng)速反演統(tǒng)計(jì)結(jié)果

因?yàn)楦哳l段的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值與海表風(fēng)速的相關(guān)程度比較好，利用1 000 Hz及以上頻段噪聲值反演的風(fēng)速值變化趨勢與原始風(fēng)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(diǎn)的反演風(fēng)速相關(guān)系數(shù)接近0.7，平均誤差1.5 m/s，均方根誤差2 m/s，與原始風(fēng)速值相關(guān)性較高且具有較高穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證深度變化與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值的相關(guān)關(guān)系，現(xiàn)將設(shè)備16個(gè)通道的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值均進(jìn)行風(fēng)速反演，得到的誤差結(jié)果如圖7所示。

圖7 16通道利用海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值反演海面風(fēng)速與原始數(shù)據(jù)誤差對比圖

從圖中可以看出，利用不同深度的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值反演海面風(fēng)速結(jié)果相近，變化趨勢一致；相應(yīng)的誤差結(jié)果在2.5 m/s左右；誤差結(jié)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(jìn)行海面風(fēng)速反演可以得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

本文通過對某海域?qū)崪y海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)、回歸分析等，可以得出以下研究結(jié)論。

（1）200 Hz以下的海洋環(huán)境噪聲與海表風(fēng)速相關(guān)程度很低，原因是該頻段噪聲受到捕撈、航運(yùn)等人類活動(dòng)的影響較大，海面風(fēng)不是主要影響因素；200～1 000 Hz頻段海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速數(shù)據(jù)屬于中度相關(guān)，受海面風(fēng)影響程度較大；1 000 Hz以上頻段海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值與風(fēng)速數(shù)據(jù)屬于高度相關(guān)，相關(guān)性基本不隨深度發(fā)生較大變化。

（2）利用不同深度的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值反演海面風(fēng)速結(jié)果相近，變化趨勢一致；相應(yīng)的誤差結(jié)果在2.5 m/s左右；誤差結(jié)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(jìn)行海面風(fēng)速反演，能夠得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

由于試驗(yàn)期間的風(fēng)速數(shù)據(jù)不是來自測量設(shè)備自帶的風(fēng)速儀，而是來源于美國NCEP再分析資料，時(shí)間采樣率和空間分辨率較低。在后續(xù)研究過程中可以嘗試在聲學(xué)測量系統(tǒng)上安裝風(fēng)速儀，得到實(shí)時(shí)的風(fēng)速數(shù)據(jù)后可進(jìn)行風(fēng)延遲效應(yīng)等相關(guān)分析，結(jié)果更準(zhǔn)確也更具代表性。同時(shí)，風(fēng)生海洋環(huán)境噪聲不僅與風(fēng)速相關(guān)，還與當(dāng)?shù)芈曀倨拭?、海底地質(zhì)等相關(guān)，下一步將結(jié)合聲速、海底地質(zhì)等背景場調(diào)查數(shù)據(jù)建立適用性更廣的風(fēng)速反演模型。