基于海洋環(huán)境噪聲水下探測(cè)研究進(jìn)展

劉曉健，崔乃剛，劉雪峰，凡友華

（1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）理學(xué)院，廣東 深圳 518055）

0 引言

海洋中充斥著由風(fēng)、雨、艦船、海洋生物以及工業(yè)等因素形成的海洋環(huán)境噪聲[1]。處在海洋中的每個(gè)物體周圍都有噪聲，在用聲吶探測(cè)水下物體的過(guò)程中，無(wú)論是主動(dòng)探測(cè)還是被動(dòng)探測(cè)，都會(huì)受到海洋環(huán)境噪聲的干擾。但在海洋環(huán)境噪聲中也包含有各種有用信息——處于噪聲場(chǎng)中的物體的幾何結(jié)構(gòu)大小、空間位置及物理材料，對(duì)這些信息進(jìn)行分析可以獲取關(guān)于海水、海底的詳細(xì)情況[2-3]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于海洋環(huán)境噪聲特性研究主要包括以下幾個(gè)方面：海洋環(huán)境噪聲獲取技術(shù)、建模、模型實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)以及特性表征方法等[1]。水下目標(biāo)探測(cè)的被動(dòng)探測(cè)方式，探測(cè)系統(tǒng)本身不發(fā)射信號(hào)，不易被察覺，具有更強(qiáng)的隱蔽性?；诤Ｑ蟓h(huán)境噪聲的水下目標(biāo)探測(cè)越來(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的重視。在介紹海洋環(huán)境噪聲的基礎(chǔ)上，概述了國(guó)內(nèi)外基于海洋環(huán)境噪聲聲成像的發(fā)展現(xiàn)狀，論述了海洋環(huán)境噪聲成像技術(shù)發(fā)展中依然存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 海洋環(huán)境噪聲

1.1 分類

海水中的環(huán)境噪聲是許多特性不同的噪聲源輻射噪聲的總和[4]。海洋環(huán)境噪聲按頻率范圍、聲源、產(chǎn)生方式可以進(jìn)行以下分類，如表1所示。

表1 海洋環(huán)境噪聲分類[5-7]Table 1 Classification of ocean ambient noise

按聲源的發(fā)聲頻率的不同進(jìn)行分類，可以分為：極低頻噪聲、超低頻及甚低頻噪聲、高頻噪聲[5]。

深海環(huán)境的噪聲源一般有：潮汐和波浪的壓力作用、地震擾動(dòng)、海洋湍流、船舶噪聲、水面波浪和熱噪聲[6]，淺海環(huán)境噪聲源有：行船及工業(yè)噪聲、風(fēng)成噪聲、生物噪聲[7]。

1.2 海洋環(huán)境噪聲獲取

海洋噪聲測(cè)量是對(duì)特定的海洋環(huán)境在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行噪聲測(cè)量，可以采用浮標(biāo)、潛標(biāo)和沉底等手段，短期監(jiān)測(cè)可以使用船只拖拽測(cè)量裝置進(jìn)行，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)則使用固定點(diǎn)位或者分布式光纖聲波傳感器[8]。美國(guó)海軍利用聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海洋環(huán)境噪聲測(cè)量進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量。印度的RAMJI等人利用浮標(biāo)系統(tǒng)測(cè)量分析淺海環(huán)境噪聲[9]。國(guó)內(nèi)的學(xué)者在海洋環(huán)境噪聲獲取方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究。張毅等設(shè)計(jì)開發(fā)了一種超低功耗海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]。姚壯等利用帶寬為20 Hz ～ 100 kHz的水聽器測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大連市周邊近岸海域 5個(gè)典型站位的水下噪聲進(jìn)行了測(cè)量，獲取各站點(diǎn)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)[11]。

1.3 海洋環(huán)境噪聲模型

在噪聲源研究的基礎(chǔ)上結(jié)合波導(dǎo)聲傳播特性發(fā)展起來(lái)的海洋環(huán)境噪聲模型包括噪聲源模型和聲傳播模型[1]。

風(fēng)關(guān)噪聲是各海域普遍存在的頻率從幾百赫茲到幾萬(wàn)赫茲的主要海洋環(huán)境噪聲源，風(fēng)關(guān)噪聲模型通常采取靜態(tài)噪聲源模型或動(dòng)態(tài)噪聲源統(tǒng)計(jì)模型[12]。遠(yuǎn)處航船噪聲是產(chǎn)生低頻海洋環(huán)境噪聲的主要噪聲源，艦船輻射噪聲源可以分為：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲[7]。吳國(guó)清、陶篤純、蔣國(guó)健等對(duì)船舶水下輻射噪聲信號(hào)建模進(jìn)行了大量的研究工作[13-15]。在艦船水下輻射噪聲信號(hào)建模的基礎(chǔ)上，孫軍平等用準(zhǔn)周期隨機(jī)聲脈沖序列模型仿真進(jìn)行了仿真研究[16]。MA等人研究了小陣雨和一般降水過(guò)程中的水下噪聲[17]。

20世紀(jì)60年代，CRON和SHERMAN開始環(huán)境噪聲理論模型研究，提出了適合深海情況傳播模型較為簡(jiǎn)單的C/S模型[18]。LIGGETT和JACOBSON采用波動(dòng)理論研究了噪聲在半無(wú)限深海水中的傳播[19-20]。CHAPMAN在考慮了海底反射的影響的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了 C/S模型[21]。PLAISANT采用射線理論描述了海洋表面噪聲源層到接收水聽器的聲傳播過(guò)程[22]。KUPERMAN和 INGENITO利用波動(dòng)理論提出K/I模型[23]。CAREY等將適合遠(yuǎn)場(chǎng)條件的拋物方程傳播模型與海面噪聲源耦合起來(lái)，計(jì)算了水平非均勻海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)的垂直分布[24]。BUCKINGHAM針對(duì)等聲速剖面、淺?！暗蛽p失”聲道中傳播的特殊情況，采用簡(jiǎn)正波法得到噪聲場(chǎng)的垂直相關(guān)系數(shù)和陣增益[25]。HARRISON對(duì)聲傳播作射線處理的基礎(chǔ)上提出 CANARY模型[26]。國(guó)內(nèi)學(xué)者張仁和等人發(fā)展了新的簡(jiǎn)正波方法[27-28]。

2 基于海洋環(huán)境噪聲的水下目標(biāo)探測(cè)

水下目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，涉及范圍包括：瀕危水生物的跟蹤與保護(hù)、魚群定位、分類與跟蹤、水環(huán)境測(cè)深與建模、海床建模與繪圖、打撈與救助、海底管道探測(cè)、海底目標(biāo)定位與識(shí)別，以及軍事上水雷、潛艇、蛙人、水下航行器等水下目標(biāo)物的探測(cè)、識(shí)別與跟蹤等[29]。水下目標(biāo)探測(cè)對(duì)于維護(hù)國(guó)家主權(quán)、保障國(guó)家海洋環(huán)境安全、促進(jìn)海洋探索與開發(fā)至關(guān)重要[30]。

水下聲學(xué)測(cè)量具有距離遠(yuǎn)、效率高的特點(diǎn)。應(yīng)用聲吶檢測(cè)水下目標(biāo)是目前最常用的檢測(cè)手段，聲吶設(shè)備包括：前視聲吶、側(cè)掃聲吶和合成孔徑聲吶[29]。水下目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，通過(guò)接收目標(biāo)的輻射噪聲或散射聲波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類、識(shí)別和定位，長(zhǎng)基線低頻被動(dòng)聲吶可以監(jiān)視諸如潛艇之類的大目標(biāo)，在航行過(guò)程中產(chǎn)生較大的輻射噪聲。聲波在水下可以遠(yuǎn)距離傳播，目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)聲吶被動(dòng)接收目標(biāo)的輻射噪聲對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征分析[31]，聲矢量傳感器可用于水下弱目標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)[32]。

在傳統(tǒng)的聲吶系統(tǒng)中，海洋環(huán)境噪聲掩蓋了目標(biāo)聲音的特征，從而阻礙了目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。但與此同時(shí)，海洋環(huán)境噪聲中也攜帶了豐富的海洋環(huán)境信息，利用海洋環(huán)境噪聲可以實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)聲成像。

FLATTE′S和MUNK等在《簡(jiǎn)式防務(wù)周刊》首次探索了將海洋環(huán)境噪聲作為聲學(xué)“照明”源形成水下物體圖像的可能性，海洋環(huán)境噪聲在水下目標(biāo)存在時(shí)發(fā)生改變來(lái)判斷目標(biāo)的存在[33]。20世紀(jì)80年代，BUCKINGHAM 提出了聲學(xué)照明（acoustic daylight）的想法，用海洋噪聲充當(dāng)“光源”，將噪聲“照射”成像比擬大氣中日光照相，對(duì)海洋中的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和成像[34-35]。BUCKINGHAM針對(duì)海洋環(huán)境噪聲，進(jìn)行水下目標(biāo)散射聲場(chǎng)的計(jì)算[36]。POTTER將海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)用作照明裝置，建立靜止物體被動(dòng)成像理論，并給出仿真的圖像[37]。日本學(xué)者 KAZUYOSHI等采用基于時(shí)域有限差分分析的水聲透鏡系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境噪聲成像研究[38-40]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也對(duì)基于海洋環(huán)境噪聲目標(biāo)探測(cè)進(jìn)行了研究[41-50]。曾娟等提出一種利用環(huán)境噪聲作為照明聲源的目標(biāo)探測(cè)方法，在理論上給出了圓形壓釋目標(biāo)被環(huán)境噪聲照射的噪聲場(chǎng)[41]。林建恒等采用散射理論方法研究了水下目標(biāo)對(duì)于海洋環(huán)境噪聲的散射擾動(dòng)特性[42]。蔣國(guó)健等提出了通過(guò)聲陣聚焦接收、增加積分時(shí)間以及頻域處置等方式增強(qiáng)水下目標(biāo)聲學(xué)可見度[43]。李小雷等基于環(huán)境噪聲互相關(guān)和環(huán)境噪聲自相關(guān)理論，利用海浪噪聲進(jìn)行安靜目標(biāo)探測(cè)[44-45]。孟昭然研究了雨致噪聲源水下目標(biāo)類光聲成像[50]。

在理論研究的基礎(chǔ)上，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。1991年在南加州的斯克里普斯碼頭BUCKINGHAM等進(jìn)行了第1次聲照明實(shí)驗(yàn)，用于聚焦的聲學(xué)探測(cè)器是壓電水聽器位于焦點(diǎn)處且直徑為1.2 m的拋物線盤，在12 m的范圍內(nèi)，海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)中的矩形目標(biāo)存在與否可以進(jìn)行探測(cè)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在5 kHz～50 kHz的頻率范圍內(nèi)確實(shí)可見僅由海洋環(huán)境噪聲照亮的物體，目標(biāo)可以改變?cè)肼晥?chǎng)[35]。1994年，美國(guó)的斯克里普斯海洋學(xué)研究所成功研制了世界第 1個(gè)環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)ADONIS（Acoustic Daylight Ocean Noise Imaging System），系統(tǒng)包含直徑3 m的球面反射器，130個(gè)水聽器呈橢圓形陣列布置在焦面處，工作頻率在8 kHz～80 kHz[51-52]。該系統(tǒng)于1994年8月（首次）和1995年10–11月被使用在南加州進(jìn)行的環(huán)境噪聲成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的成像目標(biāo)包括：面積為1 m×1 m的方形平面板，直徑0.5 m、高0.76 m、壁厚0.5 cm的裝有濕沙、海水和復(fù)合泡沫塑料的圓柱形聚乙烯桶，以及直徑0.7 cm壁厚1.5 cm的中空鈦球，目標(biāo)范圍在20～40 m之間，在主要由鼓蝦產(chǎn)生的海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)中，ADONIS系統(tǒng)成功地創(chuàng)建了目標(biāo)空間的彩色圖像[53]。雖然從ADONIS系統(tǒng)中選擇的數(shù)據(jù)成功地用于40 m范圍內(nèi)水下物體成像，但是其它大部分?jǐn)?shù)據(jù)沒(méi)有產(chǎn)生可識(shí)別的圖像。這是由于環(huán)境噪聲統(tǒng)計(jì)上的波動(dòng)，有時(shí)有利于產(chǎn)生聲學(xué)照明，而其他時(shí)間不利于產(chǎn)生聲學(xué)照明。由于 ADONIS系統(tǒng)的局限性——接收波束只記錄能量估計(jì)而沒(méi)有相位信息。1998年新加坡國(guó)立大學(xué)聲學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室建立了第 2代的環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)ROMANIS（Remotely Operated Mobile Ambient Noise Imaging System），該系統(tǒng)由508個(gè)壓力傳感器形成一個(gè)直徑約為1.3 m的二維平面陣列，工作頻率25 kHz～85 kHz。2003年2月首次在海上部署該系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)在真實(shí)海水環(huán)境中的功能，并對(duì) 70 m范圍內(nèi)的水下物體噪聲成像，同時(shí)研究了部署位置的高頻環(huán)境噪聲特性[54]。該聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員應(yīng)用 ROMANIS系統(tǒng)在新加坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，在采集環(huán)境噪聲的聲壓記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究[55-60]。在2009年，為了更加高效可靠操作ROMANIS，該系統(tǒng)的電子器件和軟件進(jìn)行了翻新[61]。澳大利亞航空與海洋研究室研制了DSTO成像陣列，含有256個(gè)水聽器單元的2 m×2 m孔徑隨機(jī)稀疏相控陣，該系統(tǒng)由4個(gè)含64個(gè)單元1 m×1 m相同的子陣模塊化組成[62]。日本國(guó)防學(xué)院的KZAYOSHI MORI等基于非球面鏡頭研制了環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)即ANI系統(tǒng)[63]，分別于2010年11月、2014年11月、2016年11月在內(nèi)浦灣進(jìn)行了3次海上實(shí)驗(yàn)[40，64-67]。2010年的第1次海上實(shí)驗(yàn)采用的是第1個(gè)ANI原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)安裝一維水聽器陣列于透鏡的像面以測(cè)量其方向分辨率，在將頻帶高于60 kHz歸類于目標(biāo)回波的情況下，證實(shí)了存在目標(biāo)物體的目標(biāo)方向上的功率譜密度水平要大于不存在目標(biāo)物體的情況[63]。在海洋背景噪聲源主要由鼓蝦產(chǎn)生的情況下，成功地探測(cè)到了水下的無(wú)聲目標(biāo)[64]。為了評(píng)估第2個(gè)原型系統(tǒng)，在2014年進(jìn)行了第2次海上實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，通過(guò)環(huán)境噪聲將外形為平板狀和球體的無(wú)聲目標(biāo)的圖像成功呈現(xiàn)[65-66]。2016年的第 3次海洋實(shí)驗(yàn)，通過(guò)環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)成功地探測(cè)出頻率響應(yīng)峰值為80 kHz和160 kHz的2個(gè)目標(biāo)[67]。不同環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)的比較見表2。

表2 環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)[59]Table 2 Ambient noise imaging system

3 結(jié)束語(yǔ)

海洋環(huán)境噪聲是海洋中永恒存在的聲場(chǎng)。相較于國(guó)外的研究，我國(guó)在利用海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行水下探測(cè)的研究還處于初步階段。未來(lái)可以針對(duì)水下物體對(duì)海洋環(huán)境噪聲頻散信息的影響，進(jìn)一步發(fā)展基于低頻背景噪聲的水下目標(biāo)探測(cè)方法，提高探測(cè)距離和信噪比。