曹雨露，杨晓刚，张 拓

(1. 大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013；2. 中国舰船研究院，北京 100102)

基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究

曹雨露1，杨晓刚2，张 拓1

(1. 大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013；2. 中国舰船研究院，北京 100102)

海洋环境噪声场方向性是信号处理中背景噪声抑制的基础。本文基于矢量水听器研究了海洋环境噪声方向性分析方法以及各向异性的表征方法，分析了背景噪声方向性与矢量水听器对背景噪声抑制能力的关系，并利用北黄海海域单矢量水听器获取的海洋环境噪声数据，对海洋环境噪声方向性分析方法进行了试验验证。结果表明：不同频段的海洋环境噪声场水平各向异性程度差异显著；海洋环境噪声水平方向性在特定频段内具有显著的不均匀性，且其方向性与航船分布情况一致。

海洋环境噪声；方向性；各向异性；矢量水听器

0 引 言

海洋环境噪声是水下声学探测的重要干扰场，深刻认识海洋环境噪声的时间、频域及空间特性是提高水下声学设备性能的关键。海洋环境噪声是一个复杂的系统，不均衡分布的海气动力以及人类活动等因素使得海洋环境噪声场是各向异性场，其具有复杂的空间方向性[1 – 2]。海洋环境噪声方向性将直接影响着传感器的空间增益，因此海洋环境噪声场方向性分析是信号处理抑制背景噪声的基础。通常，海洋环境噪声的方向性是利用垂直水听器阵及圆形水听器阵来进行研究的，对于具有宽频带分布的海洋环境噪声来说，需要较大的基阵尺度。矢量水听器可同步、共点地测量声场的声压和3个正交振速分量，具有自然指向性，且与频率无关。因此，可以采用单矢量水听器研究海洋环境噪声的空间方向性。

本文基于矢量水听器研究海洋环境噪声方向性分析方法以及各向异性的表征方法，分析背景噪声方向性与矢量水听器对背景噪声抑制能力的关系，并利用北黄海海域单矢量水听器获取的海洋环境噪声数据，对水平方向性分析方法进行了试验验证。

1 基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法

1.1 基于波束形成的海洋环境噪声方向性分析方法

矢量水听器输出的是矢量信号，因此可以通过单矢量水听器波束形成的方法分析海洋环境噪声的方向特性。

因此，单矢量水听器的波束响应为：

波束形成器的输出功率为：

这种方法的优势是可以用很少的数据样本给出海洋环境噪声方向性，但是心形指向性的波束宽度较宽，形成的方向性图只能粗略地对海洋环境噪声各向异性进行描述。

1.2 基于声能流测向法的准空间谱估计方法

下面基于声能流统计的方向性分析方法来研究海洋环境噪声各向异性的表征方法。一般地，可以通过基阵的指向性以及噪声、信号的方向性来计算增益，即

矢量水听器的增益主要分为振速指向性空间增益和声压、振速相互运算得到的额外增益[6 – 7]。对于前者是指利用矢量水听器固有的自然指向性通过空域滤波来抑制环境噪声。对于后者，是在声压和质点振速共点同步独立测量的基础上利用海洋环境噪声中各向同性成分有功声强的相互抵消来抑制背景。噪声场一般由各向同性分量和各向异性分量构成，时间积分后噪声场各向同性分量的有功声强会被抑制，而各向异性分量的有功声强则在积分后凸现出来，因此这部分增益与海洋环境噪声场声能流的统计特性以及观测时间带宽积密切相关。

则下面公式体现出了有功声强对海洋环境噪声的抑制能力

2 基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性研究方法试验验证

利用北黄海海域单个同振式矢量水听器获取的海洋环境噪声数据，对上述2种海洋环境噪声分析方法进行了验证。

图1使用波束形成的方法给出了100～200 Hz和200～500 Hz频段内海洋环境噪声水平方向性在600 s内随时间的变化规律，每组方向性对应的数据样本长度为1 s，坐标系的角度为大地坐标系的方位角，径向表示观测时间的增加，测量装置所处海域的行船主要分布在测试系统的南部。可见，波束形成法可以由少量的数据样本得到海洋环境噪声方向性的粗略估计，获得的声图体现了海洋环境噪声方向性随时间而发生的变化与起伏，在该频段海洋环境噪声方向性与测试海域行船分布规律一致。

3 结 语

本文研究了基于矢量水听器波束形成和声能流统计的海洋环境噪声方向性估计方法以及各向异性的表示方法，分析了背景噪声方向性与矢量水听器对背景噪声抑制能力的关系，并利用北黄海海域单矢量水听器获取的海洋环境噪声数据，对基于单矢量水听器的海洋环境噪声场方向性研究方法进行了试验验证，分别利用波束形成法和声能流统计法分析了典型的海洋环境噪声场水平方向性。结果表明，海洋环境噪声场在水平面内体现出了明显的各向异性，不同频段的方向性差异明显；海洋环境噪声方向性随时间起伏明显；采用波束形成和声能流统计2种方法获得的方向性趋势基本一致，在典型频段内，海洋环境噪声方向性与测试海域行船分布一致；对于时变的海洋环境噪声，波束形成的方法可以有更高的时间分辨率，而使用声能流统计法更具有统计性，获得的方向性图角度分辨率较高，更加细致地表现出海洋环境噪声场的方向性。

[1]李家亮, 林建恒, 等, 噪声源非均匀分布海洋环境噪声水平声能流理论分析[J], 声学学报, 2014, 36(6). LI Jia-liang, LIN Jian-heng, et al. Theoretical analysis of acoustic energy flux of ocean ambient, noise caused by nonuniform distributed noise sources[J], Acta acustica, 2014, 36(6).

[2]ROSS, DONALD, Mechanics of under water noise. M: 1976.

[3]程锦房, 何希盈. 声矢量探测原理及应用[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2015.

[4]Гордиенко В А, Ильчев В И, Захаров, Л Н. Векторнофазовые методы в акустике. М: Наука, 1989.

[5]Захаров Л Н, Ржевский С М. Векторно-Фазовые измерения в акустических полях. М: Акуст, 1979.

[6]孙贵青, 矢量水听器检测技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2001. SUN Gui-qing. The study of detection technolgy based-on the vector hydrophone[D]. Harbin: Harbin Engineering University master graduate thesis, 2001.

[7]陶鹏. 矢量声场的对消现象与相位特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2006. TAO Peng. Research on the phenomena of counteraction and phase property in the vector sound field[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2006.

Research on the method of the ocean environment noise directivity estimate base on single Vector Hydrophone

CAO Yu-lu1, YANG Xiao-gang2, ZHANG Tuo1
(1. Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China; 2. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101, China)

The ocean environment noise directivity is a base for background noise inhibition in signal processing. We do research for the method of the directivity analyse in ocean environment noise field and anisotropic token base on single Vector Hydrophone. Analysed the relationship between the background noise directivity and background noise inhibition ability by Vector Hydrophone. Do experiment of the method of the level directivity analyse base on the data of ocean environment noise in north Yellow Sea by Vector Hydrophone. There are two results that one is level anisotropy degree difference in ocean environment noise field is prominence in difference frequency, the other is the inhomogeneity of the ocean environment noise level directivity is prominence in some special frequency, which is the same as the ship distributing.

ocean environment noise；directivity；anisotropy；vector hydrophone

TB56

A

1672 – 7649(2017)07 – 0145 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.06.031

2017 – 04 – 28

曹雨露(1964 – )，男，高级工程师，主要从事目标水中特性研究和实艇测试分析。