基于实测海洋环境噪声谱级的风速反演研究

魏永星，李国富，常 哲，于金花

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道中的一种干扰背景[1]，在海洋中无处不在，对声呐工作产生干扰，对声呐系统性能的发挥十分有害。近年来，人们利用水听器对1 Hz～100 kHz的频段内对噪声进行了测量研究，显著扩展了对噪声源及其特性的认识，研究结果表明，噪声源是多种多样的，环境噪声是这些源的综合效应。由于噪声源的发生机理各不相同，对应不同的频段会有不同的特性，环境噪声与风速等自然条件密切相关，自然条件的变化引起各部分谱线的形状也发生相应变化。海洋环境噪声源主要类型包括航船噪声、风关噪声、降雨噪声和生物噪声等，包含非常丰富的环境信息，备受海洋界和水声界关注。目前世界形势千变万化，科技工作者充分掌握风关噪声等相关特性，深刻认识海洋环境噪声的时域、频域、空间域等特点，才能准确评价声学设备的性能，提高使用的范围和精度，以及作用距离，这样我们可以快速检测干扰源，准确定位目标，提高水声设备的性能；同时，也可利用声学方式来监测海上风速，对风暴潮等海洋灾害进行水下环境噪声检测系统自动化方式来实现全过程的检测，以保障民生。

第一次世界大战以来，世界各国科学家开始致力于水声学的研究，同时进行声呐设备的研制和开发，1948年KNUDSEN V O R等[2]在总结第二次世界大战期间获得的海洋环境噪声数据的基础上，提出了以海况或者风力作为参数的著名Knudsen谱，之后的研究表明海面风速与海洋环境噪声的相关性比海况与海洋环境噪声的相关性更好。美国海军电子所科学家Wenz G M[3]在总结大量海洋环境中噪声数据资料的基础上，给出了Wenz噪声谱级图，明确了噪声数据在1 kHz～10 kHz的频段范围内和风速的依赖关系相似。1960年，PIGGOTTC L等[4]利用布放深度为37 m和51 m的两只水听器在加拿大东部的斯科舍大陆架进行了长达一年的测量工作，得到的是3 000 Hz以下的不同风速对应的平均环境噪声谱，得到浅海海域500 Hz以上的海洋环境噪声谱级与风速的对数之间属于线性关系。同时，CROUCH W W等[5]对百慕大附近的深海站位测量数据进行了分析，证明了风关噪声与对数风速之间存在线性关系，并得到了深海50 kn风速、3 000 Hz以内频段的风关噪声谱。综上所述，风关噪声的经典谱分别为Wenz谱、Knudsen谱、Piggott谱和Crouch谱，这4种谱线可以适用于不同深度海区风关海洋环境噪声估计参考。

国内水声工作者对于风关海洋环境噪声的研究日益重视，取得了比较有代表性的研究成果。车永刚等[6]针对几种典型的海洋环境噪声谱进行了详细的分析与对比，研究了这几种海洋环境噪声谱之间的差异及差异产生的原因，探讨了风速与噪声谱级之间的对数关系；杭汝衡等[7]通过对连续测量得到的黄海北部水下环境噪声，研究发现地域特殊性对环境噪声的影响，推广了PIGGOTT L和CROUCH W W等科学家们的研究结果，改进了海洋环境噪声模型，发现海洋环境噪声谱级随着风速的增长会出现“V”型特点；林建恒等[8]利用船舷法分析了某海域的海洋环境噪声与风速的相关关系，以及垂直分布特性，给出了所测海域的海洋环境噪声在100 Hz～20 kHz频段范围内的宽带声级和接收深度，以及多种频率谱级与风速的关系，数据处理和分析结果表明1 000～4 000 Hz频段的海洋环境噪声谱级值与当时的实测风速值的对数呈现比较良好的线性关系，而且噪声谱级值与深度的变化关系不大，当地的风生海面破碎波浪噪声对海洋环境噪声影响较大，但是船舷法需要排除测试船的噪声干扰，很难获得长时间的连续测量。笪良龙等[9]通过对某海域获得的海环境噪声数据谱特性分析证明噪声谱级与风速的相关程度在800～5 000 Hz频段内最高，在一定风速范围内风速越大，相关程度越高，基本不受深度影响，噪声谱与风速的相关性要好于与浪高的相关性。王超等[10]通过对波束形成分析了海洋环境噪声的垂直指向性，给出了“垂直方向噪声”“水平方向噪声”和“全向噪声”与风速的相关性分析，结果表明在中频段，“垂直方向噪声”与风速的相关性结果好于“水平方向噪声”和“全向噪声”与风速的相关性，同时，“垂直方向噪声”随风速的变化斜率略大于“全向噪声”随风速变化的斜率。

本文首先分析海面风速的变化对海洋环境噪声谱级的影响，得到不同深度海洋环境噪声谱级与频率的相关性，通过回归分析法得到海洋环境噪声谱级与风速对数的线性关系，根据线性关系利用海洋环境噪声谱级值来反演海面风速，并进行误差评估，最终找到合适的风速反演参数和频段，为实现利用海洋环境噪声谱级值反演风速数据奠定研究基础。

1 试验环境及设备简介

本文使用的实测海洋环境噪声数据来源于某海洋公益项目，试验海区为南海某海域，得到的声学数据时间跨度长，涵盖丰富的声学和环境特征。

此次试验的设备为国家海洋技术中心自主研发的声学测量系统，设备工作剖面图如图1所示，主要结构包括主浮体、信号调理与采集记录仪、水听器阵列、释放器和重力锚等。该声学测量系统自噪声低，可靠性高，可实现立体、长时间连续的海洋环境噪声观测。该系统每小时工作两分钟采集海洋中的水声信号，同时转化为电信号存入信号调理与采集记录仪中，系统回收后利用海洋环境噪声数据处理软件进行相应的噪声信号数据处理分析，最终得到该海区的海洋环境噪声谱级时空分布结果，为后续风关噪声的分析奠定数据基础。

图1 声学测量系统设备工作剖面图

本文中使用的风速数据来源于美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析资料，空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为360 min。本文选取的风速数据点位尽量接近声学测量系统所处海域。

此次试验的时间跨度为94 d，通过长时间观测得到的海洋环境噪声数据处理结果更具有代表性。本文选择的较有代表性的中心频点有8个：100 Hz、200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz，覆盖低频、中频和高频段，以满足研究需求。

2 数据处理方法简介

2.1 海洋环境噪声数据谱级分析

海洋环境噪声是宽带随机信号，短时间内可以认为是平稳变化的过程。在测量系统回收后，需要对采集系统得到的原始数据信号进行处理，得到观测海区的海洋环境噪声谱级，谱级可以用来表达环境噪声强弱，总结海区噪声的变化规律。本文首先将原始的海洋环境噪声时域数据进行数据浏览，有效性分析后进行截取，获得数据分析样本，之后对样本数据进行分段傅里叶变换处理得到相应的噪声谱级值，之后进行多段数据之间的功率谱平均，最终得到该时间段的1/3倍频程噪声谱级值，公式如下[11]。

式中，i=1，2，…，I；k=0，1，2，…，N-1。

第i段加窗周期图如下。

长度为L的序列的功率谱估值线性平均P（k）如下。

式中，k=0，1，2，…，N-1。

经过实际水听器灵敏度校正后可以得到真实的海洋环境噪声谱级[12]。

3.2 海洋环境噪声风速反演模型

对海洋声学里的噪声谱进行综述和分析比较可以得到，估计深海风关噪声时可以参考Wenz谱，因为Piggott谱是在浅海一年的数据中得出的结果，所以估计浅海风关噪声时可以选择参考Piggott谱。本文获取的噪声数据来自浅海海域，故后续风速反演研究参考的是Piggott谱。

根据PIGGOTTC L等对于海表风速与海洋环境噪声谱级值的关系研究结果表示：风关噪声的噪声谱级值与风速的对数值大概成线性函数[13]，即

式中，SPL为海洋环境噪声谱级值；a为截距；b为斜率；v为风速。

本文利用某海域得到的长时间实测数据进行不同深度、不同频率海洋环境噪声数据与风速的相关、回归特性分析，寻找最优反演参数与频段，为下一步的噪声谱级反演风速数据奠定研究基础。

3 实测风关海洋环境噪声与风速数据分析

3.1 海试期间噪声谱级与风速数据随时间的变化

经计算得到此次海试期间的风速数据随时间变化的序列如图2（a）所示。本文将实测的海洋环境噪声原始数据进行谱级分析，重点选取8个中心频点100 Hz、200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz的噪声谱级，随时间的变化序列如图2（b）所示。

从图2中我们可以看出，100 Hz和200 Hz中心频点处的海洋环境噪声谱级基本不随风速变化，500 Hz以上的中心频点噪声谱级与风速的变化趋势重合度较高。

图2 风速与海洋环境噪声谱级值随时间的变化序列

3.2 噪声谱级与风速、深度的相关性分析

由于此次海试声学测量设备的通道数为16，我们可以得到海洋环境噪声随深度变化的剖面数据结果，因此本节着重分析不同频段、不同深度处海洋环境噪声谱级与风速的相关程度，结果如图3所示。

图3 16个通道噪声谱级值与风速的相关系数随频率的变化

从图中我们可以看出，200 Hz以下频段的海洋环境噪声相关系数为-0.2～0.4，此频段虽并非完全与海面风速无关，但是受捕捞、航运等人类活动的影响比较大；200～1 000 Hz频段范围内的海洋环境噪声谱级值与风速数据属于中度相关；1 000 Hz以上频段范围内海洋环境噪声谱级值与风速数据属于高度相关；噪声与风速的相关程度随深度变化基本一致，不随深度发生较大变化。

3.3 定量分析风速对海洋环境噪声谱级值的相关性影响

本节利用系统的第一通道噪声数据定量分析风速对海洋环境噪声谱级值的相关性影响，利用最小二乘回归法对海洋环境噪声谱级值和风速的数据进行线性拟合处理，得到结果如图4所示。

图4 不同中心频点处噪声谱级与风速对数的回归曲线

通过对不同中心频点处噪声谱级与风速对数的回归曲线分析，我们可以看出随着分析频率的增加，海洋环境噪声谱级值的分布范围更加集中，但是整体数据的离散程度仍然偏高，这主要是由于风速数据属于后报数据，与现场的实际风速数据有所偏差，同时大风数据较少，另一方面声学测量系统所处位置与海面仍有相当距离（约100 m）也导致相关性降低。

拟合曲线斜率a、截距b，以及噪声谱级值与风速的相关系数r随频率的变化趋势如图5所示。

图5 拟合曲线斜率a、拟合曲线截距b、相关系数r随频率的变化曲线

斜率a在100～800 Hz频段范围内随着频率的变大而增加，在800～8 000 Hz频段范围内随着频率的变大而减小，800 Hz处达到最大值；截距b在整个频段范围内随着频率的变大而减小；100 Hz以下频段，海洋环境中噪声谱级值与风速的相关系数r随着频率的增加而减小，100 Hz以上频段，海洋环境中噪声谱级值与风速的互相关系数r随着频率的变大而增大。

综上所述，海洋环境噪声谱级与海表风速的相关程度越好，截距越小，斜率越小。利用噪声谱级值反演风速时尽量选择1 000 Hz及以上高频段，可以保证反演的准确度。

3.4 利用海洋环境噪声数据反演风速

为验证利用海洋环境噪声数据反演风速的效果，本文对实测海洋环境噪声谱级值进行了风速反演，选择通道1得到海洋环境噪声数据，中心频点选择1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz这4个频点，时间段为6月21日至25日的数据。

根据本文3.3得到的拟合参数值斜率a、截距b，可以得到原始风速值及相应的反演风速值结果如图6所示，同时计算其相关系数，平均误差和均方根误差等统计指标，如表1所示。

图6 利用海洋环境噪声谱级值反演海面风速与原始数据对比图

表1 通道1风速反演统计结果

因为高频段的海洋环境噪声谱级值与海表风速的相关程度比较好，利用1 000 Hz及以上频段噪声值反演的风速值变化趋势与原始风速值变化趋势一致，峰值位置基本一致；其中8 000 Hz中心频点的反演风速相关系数接近0.7，平均误差1.5 m/s，均方根误差2 m/s，与原始风速值相关性较高且具有较高稳定性。

为进一步验证深度变化与海洋环境噪声谱级值的相关关系，现将设备16个通道的海洋环境噪声谱级值均进行风速反演，得到的误差结果如图7所示。

图7 16通道利用海洋环境噪声谱级值反演海面风速与原始数据误差对比图

从图中可以看出，利用不同深度的海洋环境噪声谱级值反演海面风速结果相近，变化趋势一致；相应的误差结果在2.5 m/s左右；误差结果随着频率的增加而减小，误差集中在2 m/s左右，因此，利用1 000 Hz以上的频率进行海面风速反演可以得到比较准确的数据。

4 结 论

本文通过对某海域实测海洋环境噪声数据，以及对应的风速数据进行相关、回归分析等，可以得出以下研究结论。

（1）200 Hz以下的海洋环境噪声与海表风速相关程度很低，原因是该频段噪声受到捕捞、航运等人类活动的影响较大，海面风不是主要影响因素；200～1 000 Hz频段海洋环境噪声谱级值与风速数据属于中度相关，受海面风影响程度较大；1 000 Hz以上频段海洋环境噪声谱级值与风速数据属于高度相关，相关性基本不随深度发生较大变化。

（2）利用不同深度的海洋环境噪声谱级值反演海面风速结果相近，变化趋势一致；相应的误差结果在2.5 m/s左右；误差结果随着频率的增加而减小，高频段反演误差集中在2 m/s左右，因此，可以利用1 000 Hz以上的频率进行海面风速反演，能够得到比较准确的数据。

由于试验期间的风速数据不是来自测量设备自带的风速仪，而是来源于美国NCEP再分析资料，时间采样率和空间分辨率较低。在后续研究过程中可以尝试在声学测量系统上安装风速仪，得到实时的风速数据后可进行风延迟效应等相关分析，结果更准确也更具代表性。同时，风生海洋环境噪声不仅与风速相关，还与当地声速剖面、海底地质等相关，下一步将结合声速、海底地质等背景场调查数据建立适用性更广的风速反演模型。