深海噪声场航船密度噪声建模与指向性分析

刘勋

（第七一五研究所，杭州，310023）

深海噪声场航船密度噪声建模与指向性分析

刘勋

（第七一五研究所，杭州，310023）

提出一种海洋环境噪声中航船密度噪声的建模方法，并以中国南海为例仿真了航船密度噪声的指向性，分析了不同频率声源对航船密度噪声指向性的影响，为大面积航船密度噪声建模奠定了基础。仿真结论对海洋环境噪声建模具有参考价值。

深海；航船密度噪声；指向性；仿真分析

在声呐信号处理方案中，要充分掌握噪声场的时空统计特性，使声呐系统达到更高的信噪比。海洋环境噪声是水声信道中的一种干扰背景噪声场。近年来，人们对海洋环境噪声进行了广泛的研究，包括环境噪声随深度、频率、地形和航船密度等环境因素的变化，以及环境噪声的水平和垂直指向性等。舰船噪声主要分布在海洋环境噪声谱的几十Hz到1000 Hz，是主要的低频噪声源[1]。航船密度噪声的指向性对海洋环境噪声指向性研究有着重要意义。本文提出了一种深海航船密度噪声的建模方法，并对深海航船噪声指向性特性进行了分析。

1 航船密度噪声数学模型

航船密度噪声的计算示意图如图1所示，下面做如下假设：（1）接收点位于坐标原点处，将海面噪声源划分为依赖于距离、方位角的环形网络面源区域；（2）一个深度为zs、距离接收点距离为rj、且与x轴夹角为lβ的海面噪声源在接收点处产生的复声压为；（3）距离表面噪声源1 m处的归一化复声压值取为1；（4）距离噪声源1 m处的声强级为，由海洋环境噪声指向性评估系统（ANDES）给出[2]，参考值为1 μPa2/Hz/m2。单位面积内噪声强度可表示为[3]：

将海面噪声源加上随机相位后按照划分的面源网格进行叠加得到接收点处的复声压为：

式中Ψj是在[0,2π]之间的随机相位，是单位面积的声强。是随距离和水平角变化的面积，。

图1 航船密度噪声计算示意图

按照吨位大小将航船分成5类，分别为：超级油轮、大型油轮、商船、普通油轮和渔船。综合考虑各种类型航船对单位面积内噪声强度的贡献，引入下式计算单位面积内的航船噪声的声强级：

式中st=1,2…5分别对应5种舰船类型；为每1 000 n mile2内其中一种类型舰船的个数，SSL(f,st)为其中一种类型舰船的噪声声源级。

2 航船密度噪声指向性计算与特性分析

如图2所示，在中国南海海域仿真了三条主要航线。声速剖面选用经典的Munk声速剖面，声道轴临界深度分别为1 100 m和4 060 m。垂直线列阵采用21个阵元，阵元间距为10 m，垂直阵位于图2中*号处，位于深度为1 000～1 200 m处。图中*为垂直阵布放位置。声源频率50 Hz。计算得到的航船密度噪声的指向性如图3所示，图中纵坐标是俯仰角，横坐标是方位角。由图3可见，在航运密度较大的0°～90°方向（0°方向代表正东方向），有着较强的指向性，验证了模型的正确性。

图2 航船密度

图3 50 Hz声源指向性

图中还可以看出在许多方位上垂直阵的垂直指向性在水平方向出现凹槽，主要分布在偏离水平方向的俯仰角上，其物理原因解释如下：图4分别是声源的第2、40、80、110阶模态，可以看出低阶模态主要被限制在较深水域中，而高阶模态可以分布在整个水域空间。因此，上层水域中的声源可以与高阶模态进行强耦合[4]，而与低阶模态耦合很弱。所以垂直线列阵的接收声场主要是由高阶模态贡献的。由图5可以看出高阶模态的到达角比较大，所以垂直指向性主要分布在较大的俯仰角范围。

图7为频率100 Hz声源的指向性。可以看出100 Hz声源比50 Hz声源垂直指向性的凹槽分布在更大的俯仰角上。其原因解释如下：从图7可以看出同样是第五阶模态，在浅海时低频声源比高频声源的模态在较浅的深度被激发；即在声源深度处，高频声源比低频声源刚好被激发的模态阶数高。而高阶模态的到达角相对于低阶模态到达角大，所以高频声源的指向性的俯仰角分布在更大的俯仰角度上。

图4 声源第2、40、80、110阶模态

图5 声源的第110阶模态在垂直阵上的响应。

图6 100 Hz声源指向性

图7 50、100 Hz声源第五阶模态

3 结束语

深海航船密度噪声的指向性能够充分反映航船密度噪声在深海波导中的传播特性以及航运密度的分布情况。航船密度噪声场的垂直指向性在水平方向出现凹槽，分布在较大的俯仰角上，并且随着频率的增加凹槽分布的角度更大。由于深海数据获得较为困难，目前模型还没有实际数据支持。

[1]PAUL C ETTER.水声建模与仿真[M].蔡志明,译.北京:电子工业出版社,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.

图11 目标2匹配滤波输出

图12 目标2空间谱

如图所示，由于阵列存在相位特性不一致，导致STMV检测性能下降，这说明了STMV的宽容性较小，并不适用于主动声呐。而宽容STMV拥有较高的宽容性，保持了良好的检测性能。

6 总结

宽容STMV相比较于STMV，拥有更好宽容性和稳定性，能够有效地避免由于阵型畸变或者阵元幅相特性不一致而导致导向矢量计算误差所产生的影响。子阵波束形成方法有效解决了该算法用于多阵元圆柱阵计算量过大的问题，提供高了算法的工程实现能力。实验数据的分析结果从波束形成输出空间谱和时间波形两个方面验证了宽容STMV应用于圆柱阵声呐的有效性。

参考文献：

[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]董晋.一种适用于主动声呐的宽容STMV波束形成方法[J].声学与电子工程,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.