浅海环境噪声时间平稳性与起伏特性实测分析*

蒋东阁， 林建恒， 孙军平， 江鹏飞， 衣雪娟， 马 力， 蒋国健

(1.中国科学院声学研究所北海研究站，山东 青岛 266023；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院水声环境特性重点实验室，北京 100190)

浅海环境噪声时间平稳性与起伏特性实测分析*

蒋东阁1，2， 林建恒1，3， 孙军平1， 江鹏飞1， 衣雪娟1， 马 力3， 蒋国健1

(1.中国科学院声学研究所北海研究站，山东 青岛 266023；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院水声环境特性重点实验室，北京 100190)

海洋环境噪声具有时域非平稳和幅度起伏的特性。对于浅海海洋环境噪声的时间平稳性与起伏特性的研究，能够揭示浅海海洋环境噪声在时间尺度上的特性，为岸基与浅海声呐的设计、使用以及近岸安保提供技术支持。本文对实测的浅海海洋环境噪声进行时间平稳性与起伏特性分析，通过计算瞬时功率谱起伏率的概率分布，选取适当判别门限来确定环境噪声的平稳时间，得到浅海环境噪声平稳时间在3～5min内，并且不同频率的平稳时间不同；浅海环境噪声低频段与高频段在不同时间尺度上的起伏特性不同。本文还讨论了海况、季节和实验地点对浅海环境噪声平稳性的影响，分析表明噪声源的变化是引起浅海环境噪声场平稳性变化的主要原因。

时间平稳性；起伏特性；平稳时间；瞬时功率谱起伏率

海洋声信号的起伏是基本的水声现象之一[1]。由于声源特性、多途干涉、海面波浪以及温度微结构等原因[2-3], 接收到的声信号总是起伏的[4-7]。实际接收的海洋环境噪声是缓慢时变[1]、非平稳的，但它可以看做是分段平稳信号。分析这类信号需要解决的主要问题是分段时间的确定。

对于浅海海洋环境噪声的时间平稳性与起伏特性的研究，不仅能够揭示浅海海洋环境噪声在时间尺度上的特性，也为后续信号处理提供平稳性处理依据，为岸基声呐的设计、使用以及近岸安保等提供相关背景噪声参数。

Huang N E[10]等提出基于Hilbert时频谱的平稳度概念来研究信号的平稳性，此方法处理海洋环境噪声数据，运算复杂；Theiler[11]通过构造平稳的替代数据来实现信号平稳性检测，而对于海洋环境噪声构造替代数据有些不切实际；本文通过计算不同时间段的瞬时功率谱起伏率的概率分布，与适当门限进行比较来确定信号的平稳时间，并分析海洋环境噪声在不同时间尺度上的起伏特性，讨论海况、季节和实验地点对浅海环境噪声平稳性的影响。

1 海洋环境噪声时频谱

基于快速傅立叶变换的谱分析是处理海洋环境噪声的传统方法，但此方法假定处理的信号是平稳的。而海洋环境噪声是非平稳的，特别在浅海，由于复杂的传播环境以及噪声源的随机特性，浅海环境噪声的平稳性分析更加复杂。对于非平稳或非线性的信号，人们发展了信号的时频分析法[8-9]。时频分析是在非平稳随机信号时变的功率谱基础上引入时间轴，用以表达信号的功率谱随时间的变化情况[12]。

本文时频分析方法采用短时傅里叶变换，基本原理如下：

(1)

式中:z(u)为信号；g(u-t)为移动量为t的窗函数；Sz(t,f)为时频谱。

常见的海洋环境噪声时频谱如图1所示，图2显示在有航船靠近时时频谱图产生的明显的干涉现象。

海洋环境噪声时频谱能够很好地反应海洋环境噪声在时域与频域的特点，能够反应在特定时间、特定作用频段内干扰的情况，本文基于环境噪声的时频谱分析环境噪声的平稳性。

2 时频谱平稳性检测基本原理

信号的自相关函数与功率谱互为傅里叶变换，所以平稳性可以体现在功率谱随时间的波动上。平稳信号的功率谱不随时间变化，非平稳信号的功率谱会随时间改变。因此，比较不同时间点上功率谱的相似程度[12]可以判断信号的平稳性，得到平稳时间。另外，不同频率环境噪声的平稳性不同[10]，某些频率分量可能是非平稳的，同时另一些频率分量可能是平稳的。

图1 典型海洋环境噪声时频谱图

图2 有航船经过时噪声时频谱图

(2)

式中：符号“<>”表示取平均；κ(·)此处表示差值；n=1,2,…,N，N为T0时间内Sz(tn,f)的个数。

时段内瞬时功率谱与时段功率谱均值之间的差值和时段功率谱均值之比为：

(3)

3 实验描述与数据处理

3.1 实验描述

实验选定在中国某浅海海域的2个不同实验点(相踞约20海里)。两试验点海深均为23 m，海底底质为泥沙。时间从5～12月份，采用坐底式水听器，每月进行一次连续海洋环境噪声数据采集，采集时间为8 h。

3.2 平稳性分析

选取6月份实验数据进行平稳性分析,短时傅里叶分析窗函数为1 s，以60 s步长依次增大分析数据长度，并取门限γ=0.1 ，得到1/3倍频程频率不同时间段内瞬时功率谱起伏率<0.1的概率，如表1所示。其中T的单位是分钟(min)，f的单位是赫兹(Hz)。表中灰色底纹对应T为相应f的平稳时间。

续表1

从表1中发现不同频率的平稳时间不同，且同一频率计算的平稳时间的概率较其他时间段的概率差别不大(同一频率中，表中灰色底纹概率与没有底纹的概率相差不大)，具有很大的随机性，需要进行多次统计平均处理。

图3中两幅图分别为单频点瞬时功率谱起伏率的概率分布图。从图3中，可以更加明显的说明平稳时间选取的依据。图中3条曲线代表3个不同时间的瞬时功率谱起伏率的概率密度，当门限选择0.1时，图中代表T=3 min的曲线与门限围成的面积最大，也就是T=3 min时，瞬时功率谱起伏率<0.1的概率最大，T=3 min为对应频率的平稳时间。

选取590段不同时间起点数据进行统计平均计算，得到6月份浅海环境噪声平稳时间最终值，详见图4所示。

从图4可以看出，6月份浅海环境噪声平稳时间在3～5 min之内。除个别频点外，低频段(500Hz以下)平稳时间约在3～4 min，较高频段(500Hz以上)平稳时间在3.5min以上，可见与低频段相比，较高频段平稳时间较长，分析原因为，实验时海况较好，实验海域存在渔船作业，风关噪声作用频段较航船噪声作用频段稳定。

图3 25和12.5kHz平稳性分析

图4 1/3倍频程频点平稳时间

3.3 起伏特性分析

结合上述计算的平稳时间，以及实验数据，对于起伏特性进行分析，我们从平稳时间内和平稳时间外2个时间尺度来进行考虑。

3.3.1 平稳时间内起伏 从表1中可以明显看出，在低频段(630Hz以下)起伏率小于0.1的概率大于0.75，表明瞬时功率谱起伏率波动较小；较高频段(大于630Hz)，起伏率小于0.1的概率绝大部分小于0.65，可知，在平稳时间内较高频段幅度起伏比低频段大。

3.3.2 平稳时间外时段起伏 根据图4计算不同频率平稳时间，并对6月份数据分频率根据不同平稳时间进行分段处理，得到不同频率噪声谱级随不同平稳时间变化的起伏特性，如图5所示。从图中可以看出低频段(800Hz以下)幅度起伏较大，约5dB，而较高频段(大于800Hz)幅度起伏较低约2dB。得到，在平稳时间以外时段，较高频段幅度起伏比低频段小。

图5 不同频率海洋环境噪声起伏特性

3.4 海况，季节，实验地点对平稳性影响

海洋环境噪声的时间平稳性较大程度因不同海区而异，也可能受测量季节、实验海况的影响。本文分析实测数据，根据对平稳性有影响的3个因素(海况，季节与实验地点)，从7个月份实验数据中找出各因素所占最大贡献的数据段，分析其对平稳性的影响，分析结果如图6所示。图6a给出不同海况的对比，虚线表示海况较好(0～1级海况)，实线表示海况较差(4～5级海况)；图6b给出不同实验地点的对比，虚线与实线表示相距20海里的两实验地点；图6c给出不同季节的对比，虚线表示6月份，实线表示11月份。分析频率范围为10～10kHz。

(a. 海况对平稳时间的影响;b. 实验地点对平稳时间的影响;c.季节对平稳时间的影响。a. Effect of sea conditions on stationary time; b. Effect of experimental sites on stationary time; c. Effect of seasons on stationary time.)

图6 季节，海况，实验地点对平稳时间的影响

Fig.6 Effect of seasons, sea conditions and experimental sites on stationary time

从图6中可以看到，当海况变差时，分析频率范围内平稳时间减小约半分钟；而对于相差20海里的2个不同观测地点，600Hz以上频段，平稳时间较为一致，而在600Hz以下部分频段，平稳时间相差约1 min，分析原因为实线代表地点较靠近航道，受到航船噪声影响。因为两地点距离并非相当大，所以，分析出来的结果虽不能说明不同海区对平稳性的影响有多大，但可以很好佐证在该实验海域，平稳时间的确在3～5 min；分析不同季节的影响，发现冬季的环境噪声平稳时间明显小于夏季环境噪声平稳时间，分析主要原因在于夏季禁渔期，导致浅海渔船较少，而从9月份开海以后，海面存在大量渔船作业。可参见图7所示。分析知道，相较于夏冬季节变化的海洋传播特性，航船的干扰对于平稳性的影响更显著。

图7 不同月份环境噪声谱级变化

4 结论

本文通过计算瞬时功率谱起伏率的概率分布来分析平稳性，计算简单、快捷。通过对浅海海洋环境噪声平稳性的处理，计算平稳时间，并对数据进行不同时间尺度处理，得到不同频率的谱级起伏特性；并考虑海况、季节以及实验地点对平稳性的影响。得出浅海环境噪声时间平稳性与起伏特性如下特点：

(1) 浅海环境噪声平稳时间约为3～5 min，且较高频段平稳时间大于低频段平稳时间；

(2) 在较小的时间尺度(平稳时间内)上，低频段的浅海海洋环境噪声幅度起伏小于较高频段幅度起伏；在较大的时间尺度上，即在平稳时间以外时段，低频段浅海海洋环境噪声幅度起伏大于较高频段幅度起伏；

(3) 海况变差将使浅海环境噪声平稳时间减小；

(4) 在浅海，航船干扰是影响环境噪声平稳性最主要因素。

从平稳性的分析上，可以明显看到，浅海环境噪声不同源作用频段的平稳性不同，而且噪声源的不同是引起平稳性变化的主要原因。本文分析给出航船干扰是影响浅海环境噪声平稳性的最主要因素，但海况对环境噪声平稳性的影响未做深入分析，将开展进一步工作讨论。

[1] 汪德昭, 尚尔昌. 水声学 [M]. 北京: 科学出版社, 1981: 52-53,331-346. Wang D, Shang E. Hydroacoustics[M]. Beijing: Sciences Press, 1981: 52-53,331-346.

[2] Urick R J. Fluctuation Spectra of Signals Transmitted in the Sea and Their Meaning for Signal Delectability [C]. Brimingham： Brimingham, 1974: 79-86.

[3] 江鹏飞. 浅海内波对环境噪声的影响 [J]. 声学与电子工程, 2010增刊: 22-24. Jiang P. The internal waves effection on ambient noise in shallow water[J]. Acoustics and Electronics Engineering, 2010 supplementary issue: 22-24.

[4] 蒋国健, 林建恒, 等. 线谱声源随机运动和随机海洋信道引起的非相干散射 [J]. 声学学报，1996,21(6): 898-904. Jiang G, Lin J, et al. Non-coherence scattering caused by random move of sound source with line spectrum and random ocean sound channels [J]. ACTA ACOUSTICA, 1996,21(6): 898-904.

[5] 陶笃纯. 信号和背景噪声的幅度起伏对线谱检测器性能的影响 [J]. 声学学报, 1983, 8(6): 352-360. Tao D. Effects of amplitude fluctuation of signal and background noise on line spectrum detector performance [J]. ACTA ACOUSTICA, 1983, 8(6): 352-360.

[6] 蒋国健, 林建恒, 等. 海洋信道中船舶噪声线谱的衰减 [J]. 声学技术，2013,32(5): 154-157. Jiang G, Lin J, et al. Attenuation of ship noise line spectrums in me ocean channel [J]. Technical Acoustics, 2013,32(5): 154-157.

[7] 孙军平, 蒋国健, 林建恒, 等. 多源多途船舶辐射噪声场及浅海声源级测量仿真 [J]. 声学技术, 2013,32(4):443-446. Sun J, Jiang G, Lin J, et al. Multi-source multi-path ship radiated noise field and simulation of measurement noise level in shallow water[J]. Technical Acoustics, 2013,32(4):443-446.

[8] Leon Cohen. Time-Frequency Analysis: Theory and applications [M]. New York: Prentice Hall, 1995:78-120.

[9] Mallat S， Hwang L. Singularity detection and processing with wavelet [J]. Brimingham: IEEE Trans. on Information, 1992,38(2): 617 -643.

[10] N．E．Huang， Z. Shen, et a1. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationarity time series analysis[J]. Proc Roy Soc, 1998,454: 903-995.

[11] Theiler J, Eubank S, et al. Testing for nonlinearity in time series: The method of surrogate data [J]. Physica D, 1992,58: 77-94.

[12] 眭烨, 李明. 基于Matlab 的信号平稳性检验系统[J]. 现代电子技术， 2014, 3:83-86. Sui Y, Li M. System of stationarity test based on Matlab [J]. China Academic Journal Electronic Publishing House. 2014,3:83-86.

责任编辑 陈呈超

Analysis of Time Stationarity and Fluctuation of Measured Ocean Ambient Noise in Shallow Water

JIANG Dong-Ge1，2, LIN Jian-Heng1，3, SUN Jun-Ping1，2,JIANG Peng-Fei1, YI Xue-Juan1, MA Li3, JIANG Guo-Jian1

(1.Qingdao Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266023, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.The Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190, China)

Ocean ambient noise is non-stationary on time, and fluctuating on amplitude. Studies on time stationarity and fluctuation of ocean ambient noise in shallow water can reveal characteristics of ocean ambient noise in the time scale, and be helpful for the design and use of shore-based sonar and sonar in shallow water, and coastal security. In this paper, the measured ocean ambient noise data in shallow water are analyzed. Probability distribution of the rate of transient power spectrum fluctuation is calculated. Comparing the probability distribution with an appropriate threshold, stationary time about 3-5 minutes of ocean ambient noise in shallow water is determined, and fluctuation between low and high frequency band in different time scale is different. The impacts of the different sea conditions, different seasons and different experimental sites on the conclusions are also discussed. It is shown that a major factor affecting the stationarity of ocean ambient noise in shallow water is the changing of noise sources.

time stationarity; fluctuation; stationary time; rate of transient power spectrum fluctuation

国家自然科学基金项目(11174314；11474301；11204345) 资助 Supported by National Natural Science Fundation of China (11174314；11474301；11204345)

2014-09-20；

2015-10-12

蒋东阁(1990-)，男，硕士生。E-mail:jiangdongge@mail.ioa.ac.cn

P734+.2

A

1672-5174(2017)08-140-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140434

蒋东阁，林建恒，孙军平, 等. 浅海环境噪声时间平稳性与起伏特性实测分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(8)：140-144.

JIANG Dong-Ge, LIN Jian-Heng, SUN Jun-Ping, et al. Analysis of time stationarity and fluctuation of measured ocean ambient noise in shallow water[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(8)：140-144.