深海噪声测量潜标的设计及实现

本文介绍了利用深海水密玻璃球应答器(ET661G)设计研发的深海噪声测量潜标,给出了潜标及其结构设计的基本思想和噪声测量记录的基本原理.     

基于光纤矢量水听器的浅海噪声矢量场特性研究

基于简正波理论分析了浅海噪声矢量场声压和质点振速的强度特性,仿真了浅海声压和质点振速的噪声强度在深度和频率上的变化特性,噪声矢量场强度特性仿真结果与实验测量结果一致。针对声场测量的有效性,给出了加速度通道自噪声谱级和灵敏度必须满足的关系式,并提出了降低自噪声对接收系统影响的两种措施。最后分析并对比了系统自噪声谱级和海洋环境噪声谱级,结果表明,声压通道的自噪声比环境噪声谱级低20 d B左右,Y通道和Z通道的自噪声比环境噪声低3.5 d B以上,X通道的自噪声谱级在200 Hz附近与环境噪声谱级最为接近,约比环境噪声低1.5 d B。     

双通道传递函数法测量矢量水听器自噪声

针对矢量水听器自噪声测量时受环境干扰严重的问题,提出了利用双通道传递函数法测量矢量水听器的自噪声。给出了双通道传递函数法降低环境干扰的原理;并通过实验手段分析了利用该方法测量时,环境背景噪声条件及水听器布放距离等因素对测量结果的影响。研究结果表明,利用双通道传递函数法测量矢量水听器的自噪声,可以有效降低环境背景噪声影响,得到更加准确的结果。该方法为准确测量矢量水听器的自噪声提供了有效的手段,为矢量水听器在远程探测领域的实际工程应用提供了测量基础。     

潜标式水下目标噪声测量系统

潜标是一种隐蔽的测量装置,潜标式水中噪声测量系统是获取水下运动目标噪声信息的重要手段之一,适用于对水中各类运动目标的辐射噪声和环境噪声监测.采用定时或遥控方式工作,自动化程度高、自持力强、安全可靠;且易于布放和回收.文章介绍了该系统的特点、工作原理、设备组成、使用方法及在海洋环境研究和水中运动目标特性信息获取方面的应用及发展前景.     

深海海洋环境噪声垂直相关性研究

海洋环境噪声场是海洋中的固有声场,其空间结构特性是影响水声系统的重要因素之一。在风成海洋环境噪声波数积分模型的基础上,对深海噪声场的垂直相关性进行了研究。通过数值仿真讨论了深海环境下,海底声速、衰减系数、海面噪声源深度及接收器深度对均匀分布于海面附近的噪声源的垂直相关性的影响。仿真结果表明:噪声场的垂直相关随海底声速、衰减系数和接收器的绝对深度的变化较小;高频噪声的垂直相关性对噪声源的深度较敏感,低频噪声的垂直相关性受噪声源深度的影响几乎可以忽略。在此基础上,分析了某次海试噪声数据,并结合数值计算结果对实验测得噪声数据的垂直相关性进行了合理的解释。     

东中国海夏季海洋环境噪声特性分析

海洋环境噪声不仅是水中目标探测的背景干扰声场之一,还可用以反演海洋物理参数。文章基于实测东中国海某海区夏季海洋环境噪声数据,分析其时频特性、统计特性以及风关特性。研究结果表明,试验期间该海区100 Hz以下频段的海洋环境噪声级约为110 dB,频率为100和300 Hz的海洋环境噪声级分别服从自由度为8和6的卡方分布,频率为1 kHz和3 kHz的噪声级服从正态分布;海况对低频海洋环境噪声级概率分布无明显影响,但是对高频段噪声级正态分布的均值和方差会产生一定影响;随着频率的增加,海洋环境噪声级与风速对数间的相关系数逐渐增大,1 kHz以上相关系数在0.6～0.7之间;100 Hz以上频段的噪声谱级基本不随深度发生变化。文中的结果可以为水中目标的探测以及浅海海洋环境噪声的应用研究提供技术支持。     

深海声学潜标的定位方法研究

针对我国海洋调查中深海声学潜标回收过程中遇到的定位问题介绍了两种方法:十字交叉法和三点式定位法,可为潜标回收提供一种实施简便、科学有效的定位方法。通过文中的方法,在回收潜标的过程中能节约科考船航行需要的时间,也为释放器失效时的潜标打捞工作提供了技术支持,有效降低了潜标破坏、丢失的风险。通过与船载超短基线系统的测试结果对比,在忽略设备本身精度误差的情况下,三点式定位法的相对误差为15.5 m。以5 000 m海深为例,定位精度可达1%～2%。     

斜坡海底海洋环境噪声垂直指向性研究

为了解决斜坡海底地形的环境噪声高频建模问题,为三维环境噪声的进一步计算奠定了基础。在射线法的基础上,采用N×2D的近似算法,研究了斜坡海底情况下,均匀分布在海面上的噪声源所产生的环境噪声垂直指向性。考虑了海水吸收,海底反射,声速剖面对垂直指向性计算结果的影响。研究表明：三种因素均会对斜坡海底的噪声垂直指向性产生影响,其中声速剖面对其影响要大一些。     

一种计算航船对近海海洋环境噪声贡献的算法

为了研究浅海中低频段的海洋环境噪声,文章构建了一种计算航船对近海海洋环境噪声贡献的算法,利用某海域航船信息,结合实际水文参数,对该海域的航运噪声进行了仿真计算。航船信息通过访问船舶自动识别系统数据库获取。主要关注50~400 Hz的中低频段,将仿真计算结果和实验数据进行对比,验证了算法的可靠性,并进行了误差分析。利用该算法可获取接收点处航船噪声的水平方向分布特点,并可初步定量分析航船噪声对海洋环境噪声的贡献。     

潜标姿态变化对矢量水听器目标方位估计的影响

潜标系统作为一种矢量水听器水下工作安装平台,不可避免的姿态变化会引起矢量水听器各通道接收兴趣信号的起伏变化,致使目标方位估计结果偏离真实目标方向。理论推导分析了潜标体姿态变化对矢量水听器目标方位估计的影响,定量分析了矢量水听器目标方位估计与姿态变化周期(频率)的关系,并进一步讨论了与幅度及积分时间等的关系,如姿态幅度为40°时要方位估计误差小于5°,则积分时间至少要大于24s。研究结果对矢量水听器目标方位估计时的积分时间选取具有重要指导意义。     

海洋矢量声场观测浮标与潜标系统

构建了一个以三维低频矢量传感器为核心的海洋矢量声场观测用浮标与潜标系统平台。水下潜标系统对矢量传感器拾取的声场声压与质点振速共4路信号进行预处理,并进行采集、解算与自存储。矢量传感器的水下姿态由潜标中电磁姿态仪给出。潜标与水面浮标由通信电缆连接,控制信息与数据信息可双向传输。浮标体集成扩频通讯电台,主控制台站通过无线电台完成对浮标与潜标的远程控制。外海试验表明：系统无线电通信速率可达11Mbps,作用距离15km,可在海上持续稳定工作30天。整套浮标与潜标系统已在工程项目中得到实际应用。     

两种非高斯海洋环境噪声统计模型分析

海洋环境噪声是影响声呐工作的主要因素之一,噪声模型的选取十分重要,普遍采用的高斯噪声模型在很多情况下存在局限性。引出两种非高斯噪声模型匹配实际非平稳的海洋环境噪声:广义自回归条件异方差模型(Generalized Autoregressive Conditional Heteroscedasticity,GARCH)和双模模型,通过分析两种噪声的概率密度分布函数,并与高斯模型噪声和实测海洋环境噪声比较得出两种噪声模型的适用性。GARCH(1,1)模型通过调节参数可以吻合大部分浅海和深海海洋环境噪声,双模模型则只对浅海某些情况存在适用性,而对深海吻合性较差。两种噪声模型的统计特性分析表明它们可以适用于高斯噪声模型存在局限的非平稳环境下。     

青岛近海航船相关海洋环境噪声谱级特性分析

为了了解航船以及禁渔政策对我国近海海域低频环境噪声特性的影响,文章分析了青岛近海航道区域和非航道区域的海洋环境噪声在25～500 Hz频段实测数据的1/3倍频程功率谱密度。结果表明,在30～100 Hz频段,航道附近海域海洋环境噪声谱级比非航道海域高大约5～10 dB;非禁渔期在150～400 Hz频段的海洋环境噪声谱级比禁渔期高大约4～5.5 dB。文章获取的近海低频环境噪声谱级特性,对了解和利用我国以及世界范围内近海环境噪声低频特性具有较重要借鉴意义。     

远离航道海域低频海洋环境噪声垂直指向性

海洋环境噪声垂直指向性是声呐背景场的典型空间特性之一,既可体现噪声源的空间特性及其传播特性,还可用来反演海洋环境的特征参数。分析了南海某岛礁海域实测海洋环境噪声的垂直指向性,发现当接收阵远离航道时,低频海洋环境噪声垂直指向性的主瓣集中在-30°～30°范围内(0°对应水平方向),且水平方向不存在凹槽。基于舰船自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)航船分布数据得到简化航道区域航船噪声源模型,利用3D射线声传播算法,结合实际岛礁海域地形数据,计算的低频海洋环境噪声垂直指向性与实测数据处理结果相符。研究结果表明,当接收阵距航道较远时,由航道航船引起的低频海洋环境噪声以接近水平方向入射垂直接收阵,研究结果可为声呐在远离航道海域的性能提高提供技术支持。     

海洋资料浮标声学特征采集系统设计

为利用我国现有的10 m大型资源浮标,实现对海上侵权船只进行探测和识别,介绍了一种加装在浮标上的声学特征采集系统设计。该系统设计包括声学基阵设计,信号采集处理机设计,目标探测与方位估计算法和声学基阵方位补偿方法等。2014年6月进行了一次湖上试验,试验结果表明：声学特征采集系统的硬件可靠,目标探测、方位估计和方位补偿算法有效。该系统已在我国特定敏感区域开展的维权执法目标探测识别与信息传输技术的信息综合监视中示范应用。     

波浪滑翔器智能海洋环境噪声观测系统

利用波浪滑翔器进行海洋环境观测是一种新型的海洋观测手段，与调查船等大型平台相比，具有成本低、效率高的优点。由于波浪滑翔器依靠波浪进行驱动，依靠太阳能进行平台供电，且平台航行自噪声较小，因此适合用于水下环境噪声的长期观测。为了开展基于波浪滑翔器的海洋环境噪声观测工作，设计了一种波浪滑翔器智能海洋环境噪声观测系统，包含水声采集系统以及适配的水声数据冗余存储方案，能实现声学数据采集存储、数据卫星回传和远程控制等功能。其中，水声采集系统具有低功耗、稳定性高等优点；水声数据冗余存储方案具有存储灵活，数据保障等优点。海上试验结果表明，波浪滑翔器智能海洋环境噪声观测系统具有实用性高、续航时间长与采集存储智能方便等特点，能够较好地完成海洋环境噪声观测任务，具有较好的应用前景。     

基于环境噪声的浅海海底单参数反演

利用环境噪声反演浅海海底声学特性一直是学者们研究的热门课题之一,目前绝大多数的噪声场建模方法依赖于多维海底模型,而多维参数的求解过程加大了反演的复杂度。减少反演参数个数可以有效降低反演的复杂性,提高反演的速度,以此为目的开展了基于单个参数海底模型的噪声场建模研究,并计算得到了基于海底单参数的噪声场空间相干系数表达式。通过与传统模型的对比,验证了该计算模型的有效性。结合实验数据,利用该模型对实验海域进行了海底单参数反演,并结合海底反射临界角确定了实验海域的沉积物类型为粉砂质砂,该结论与文献记载相吻合。