（水声工程专业论文）光纤矢量水听器噪声声场特性分析.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a n ，w h i c hi sp a r to ft h et c i t a ln o i s ei nt h eo c e a nm e a s u r e db y d i r e c t i v i t yh y d r o p h o n e s ，i st h ei n t e r f e r e n c eb a c k g r o u n di nu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l ，a n d r e s t r i c t sa l lt h es o n a rs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv e c t o rh y d r o p h o n e , a m b i e n tn o i s ei n t h eo c e a nh a sb e e nm e a s u r e db yp i e z o e l e c t r i c i t yv e c t o rh y d r o p h o n e ，a n ds o m en e wv e c t o r c h a r a c t e r i s t i co fa m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a nh a sb e e nf o u n d f i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n ei sa n e wt y p ev e c t o rh y d r o p h o n e c o m p a r i n gw i t hp i e z o e l e c t r i c i t yv e c t o rh y d r o p h o n e ，i th a sh i g h e r s e n s i t i v i t y , l e s st r a n s p o r tl o s s ，a n dm o r ec o n v e n i e n c ef o rn e t w o r kc o n n e c t i n g a m b i e n tn o i s ei n t h eo c e a nh a sb e e nm e a s u r e db yf i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o i s e a c o u s t i cf i e l dh a v eb e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h e o r e t i c a l l y , t h ei n v e s t i g a t i o ns t a t u so fa m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a ni ns c a l a rh y d r o p h o n e t e c h n o l o g yh a sb e e nb r i e f l yr e v i e w e d c sm o d e l i n ga n dc a n a r ym o d e l i n gb a s e do nr a y m e t h o d sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n v e s t i g a t i o ns t a t u so fa m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a ni nv e c t o r h y d r o p h o n et e c h n o l o g yw a ss u m m e dt ot w ov e c t o rm o d e l i n g ，i e v e c t o rc sm o d e l i n ga n d v e c t o rc a n a r ym o d e l i n g c o n t r a s t e dt h ec h a r a c t e r i s t i cb e t w e e ns c a l a rm o d e l i n ga n dv e c t o r m o d e l i n g ，f r o mt h ed i r e c t i v i t yf u n c t i o no f v e c t o rh y d r o p h o n e ，t h es c a l a rm o d e l i n gw a se x t e n d e d t ov e c t o rm o d e l i n gb ym e a n so fa d d i n gt h eg i v e nd i r e c t i v i t yf u n c t i o ng e n e ，ag e n e r a lw a yo f e x t e n d i n gs c a l a rm o d e l i n go f a m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a nt ov e c t o rm o d d i n gw a sf o u n d e x p e r i m e n t a l l y , f i r s t l y , t h ed i r e c t i v i t yo ff i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n ew a st e s t e db yt h e m e a n so fv i b r a t i o np l a t f o r mt e s t ，s t a n d i n gw a v es o u n df i e l dt e s ta n dl a k et e s t ，t h er e s u l ti n d i c a t e d t h a tt h em e t h o do fs t a n d i n gw a v es o u n df i e l dt e s th a dab e t t e re f f e c t ；s e c o n d l y , t h ea c c e l e r a t i o n s e n s i t i v i t ya n dp r e s s u r es e n s i t i v i t yw a sa n a l y z e d ，c o m b i n e dw i t ht h ed a t a o ft h r e eo u t f i e l d e x p e r i m e n t s ，t h ee x p e r i m e n to fd o a e s t i m a t i o nw a sc a r r i e do u tu s i n gs i n g l ef i b e r - o p t i cv e c t o r h y d r o p h o n eb yc b f a n dm v d rb e a mf o r m ；f i n a l l y , a m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a nw a sa n a l y z e di n s p e c t r u mf i e l dw h i c hw a sm e a s u r e db y t h ef i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n e ，n l em a i nc o n c l u s i o n s w e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea u t o - s p e c t r ao f p r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yw a sc a l c u l a t e d ，t h er e s u l ts h o w e d t h a t t h ea m b i e n tn o i s es p e c t r u mm e a s u r e db yf i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n ew a sl o w e r 4 - 6 d bt h a nt h a tm e a s u r e db ys c a l a rh y d r o p h o n e ，t h er e s u l tc o n s i s t e dw i mt h et h e o r e t i c r e s u l ta t4 8 d bi nc a s eo fi s o t r o p i cn o i s ef i e l d ( 2 ) t h ec r o s s s p e c t r ao fp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yw a sc a l c u l a t e d ，t h ea n a l y s i so nt h e n a t u r eo fa m b i e n tn o i s ef i e l dw a sm a d ei nt h ec r o s s - s p e c t r u mm a g n i t u d eo fp r e s s u r ea n d p a r t i c l ev e l o c i t y , c o h e r e n c ef u n c t i o no fa n yp o i n t ，a n dt h ep h a s es p e c t r u m t h er e s u l t i n d i c a t e d ，a tt h ef r e q u e n c yr a n g eo fl0 0 l0 0 0 h z ，t h ea m b i e n tn o i s ef i e l do fs o u t h 第1 i i 页 c l a i n as e a1 sm o s t l y i s o t r o p i cn o i s ef i e l da n da n i s o t r o p i en o i s ef i e l dc o n s t i t u t c do fa l i t t l e p a r t a d d i t i o n a l l mt h e r ew a sl i t t l ec o r r e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ea n dp a t t i c l ev e l o c i t vo f v y , v z ，v ya l s oh a dl i t t l ec o r r e l a t i o nw i t hv z 。 ( 扪t h ep h a s e 璺紫黑b e t w e e np r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o e i t yo fv 弘v z ，v y 锄dv zo v 盯 t h er a n g eo t 一5 ( j ”5 0 ” ( 4 ) mt e m p o r a la n ds p a t i a lc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tm a t r i xo f p r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t y y a sc a l c u l a t 。d ，a td = o , z 2 0 ，t h er e s u l tc o n s i s t e dw i t ht h et h e o r e t i cr e s u l ti nc a s eo f k e yw o r d s ：f i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n e ， a m b i e n tn o i s ei nt h eo c e a n , n o i s e m o d e l i n g 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 前苏联矢量水听器测量系统示意图5 图1 2 测量模型示意图6 图1 3s w a l l o w 浮标示意图7 图1 45 基元矢量水听器垂直阵测量系统示意图8 图1 5 矢量水听器基元实物图8 图1 63 2 基元矢量水听器垂直阵测量系统示意图8 图1 7 矢量水听器基元实物图8 图1 8 矢量水听器测量环境噪声系统示意图9 图1 9 矢量水听器测量装置外形9 图2 1 一维芯轴型光纤加速度计原理示意图1 1 图2 2 三维全保偏光纤加速度传感器系统结构示意图1 2 图2 3 光纤矢量水听器系统基本结构框图1 2 图2 4 振速比幅度特性曲线1 4 图2 5 振速比相位特性曲线1 4 图2 6 加速度灵敏度与杨氏模量及泊松比变化关系1 5 图2 7 谐振频率与杨氏模量及泊松比变化关系l5 图2 8 加速度灵敏度与弹性体半径及高度变化关系1 5 图2 9 谐振频率与弹性体半径及高度变化关系1 5 图2 1 0 三维加速度传感器实物图1 6 图2 1 1 光纤矢量水听器封装图1 6 图2 1 2 光纤矢量水听器实物图。1 6 表2 1 光纤矢量水听器探头质量分布1 7 图2 1 3 光纤矢量水听器的固定装置示意图1 7 图2 1 4 光纤矢量水听器的固定装置实物图。1 7 图2 1 5 光纤矢量水听器指向性振动台测试装置1 9 图2 1 6 光纤矢量水听器指向性驻波管测试装置1 9 图2 17 光纤矢量水听器指向性湖上测试19 图2 18 光纤矢量水听器灵敏度测试标定示意图2 1 图3 1 远场模型坐标系统2 4 图3 2c s 模型坐标系统2 4 图3 3c s 模型下噪声源向海水中o 点辐射示意图2 5 第i i i 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 图3 4c s 模型下声压相关系数与训九关系2 7 图3 5c a n a r y 模型中的坐标系统。2 9 图3 6 水平方位无关分布下相关系数与d 2 关系y = 万2 ，f = 万4 3 5 图3 7 水平方位无关分布下相关系数与d 2 关系y = 0 ，f = t r 4 3 6 图3 8 海面噪声模型坐标系统3 6 图3 9x 轴振速自相关系数两种计算方法结果比较4 0 图3 1 0 矢量c a n a r y 模型坐标系统4 1 图3 1 1 均匀半空间环境下相关系数与d 2 的关系y = 石2 ，f = 万4 4 3 图3 1 2 均匀半空间环境下相关系数与d 2 关系y = 0 ，f = 万4 4 3 图3 1 3 海洋环境噪声测量结果4 4 表3 1 指向性函数因子d ( o ，矽) 与声压振速互相关系数对应关系。4 5 图4 1 黄海海试环境示意图4 8 图4 2 黄海海试现场照片4 8 图4 3 自鹭湖湖试环境示意图4 9 图4 4 湖试所用光纤矢量水听器固定装置4 9 图4 5 南海海试环境示意图5 0 图4 6 南海海试光纤矢量水听器多参量传感系统5 0 图4 7 南海海试现场照片5 0 表4 1 驻波场指向性测试结果指标5 1 图4 8 光纤矢量水听器指向性振动台测试结果5 1 图4 9 光纤矢量水听器指向性驻波场测试结果5 l 图4 1 0 光纤矢量水听器指向性湖试测试结果5 1 图4 1 1 光纤矢量水听器灵敏度标定结果5 2 图4 1 22 0 0 3 年黄海海试结果5 3 图4 1 32 0 0 7 年白鹭湖湖试结果5 4 图4 1 42 0 0 8 年南海海试结果5 4 图4 1 52 0 0 3 年黄海海试所测得环境噪声谱级5 6 图4 。1 62 0 0 8 年南海海试所测得环境噪声谱级5 7 图4 1 7 南海环境噪声场声压振速互谱特性6 0 图4 1 8 南海环境噪声场不同轴振速互谱特性6 1 图4 19 南海环境噪声场相位谱特性6 2 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：同期：2 矿秒万年，月f r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档， 允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：堂红筮量盔匝墨噬直壹扬签丝筮堑 、 学位论文作者签名：名毖篮季啦 储艚刻醛轹厶上鼍一 同期：k 孑年，月歹r - t r 期：沙口方年，1 月份日 国防科学技术大学研究牛院学位论文 第一章引言 当今世界资源竞争日益激烈，拥有丰富资源的海洋，其战略地位越来越突出。在军事 上，海上力量更是现代信息化战争中一支不可缺少的奇葩。无论是海洋和平开发利用，还 是军事安全与对抗，都需要对水下信息进行探测和获取，而在迄今所熟知的各种能量形式 中，声波具有最佳的远距离传播性能，因此，水声就成为海洋中信息传播的主要载体。 声波是指弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、质点振速等的变化或几种变化的 综创。在水声中，这种弹性媒介就是海水。由于探测技术的限制，在相当长的一段时间 内，人们只是对海水中压力的变化进行研究，即声压水听器技术，而根据声压的定义，它 等于平衡状态下垂直于任意截面的压强在受到声扰动后的压强的变化量，是一标量，因此 又可称为标量技术。随着探测技术的发展，人们可以探测到声场中质点振速等矢量信息， 从而开始了水声场的矢量特性研究，即矢量水听器技术。 1 1 光纤矢量水听器的研究现状 光纤矢量水听器是矢量水听器的一种。矢量水听器按其换能原理可分为压电式、电动 式、电磁式、磁致伸缩式、电容式和光纤式；按其所测物理量的不同，可分为声压梯度水 听器、位移水听器、振速水听器和加速度水听器；按其与声场的相互作用方式可分为压差 型和同振型水听器；按其维数可分为一维、二维、三维矢量水听器【2 3 1 。 自1 8 8 4 年r a y l e i g h 【4 】提出声波质点振速概念以来，人们就一直为直接测量声波的质点 振速做努力，然而由于质点振速测量的复杂性使得这项研究一度停滞不前。1 9 3 2 年美国学 者h f o l s o n 5 j 提出了声场能量测量原理，并指出矢量水听器一般由声压水听器和振速水听 器复合而成，可以共点、同步、独立测量声场空间一点处的声压和质点振速正交分量，由 于受到当时科学技术水平的限制难以做到空间共点同步测量。2 0 世纪的4 0 年代至7 0 年代， 矢量水听器技术一直在实验室中不断的完善和发展。1 9 4 2 年贝尔电话实验室为美国海军水 声测量实验室研制的世界上第一台一维电动式同振球型声压梯度水听器s v 1 ，直径6 3 m m ， 用于7 0 8 0 0 0 h z 的换能器校准，铝合金外壳，固定在弹性元件上，悬挂系统的固有振动频 率约为1 0 h z ，声压接收灵敏度为1 0 1 2p v p a 。随后研制的s v - 2 ，用于测量水底1 5 1 0 0 0 h z 频带上的声学参数，是由黄铜做成的直径1 2 0 m m 的球，声压接收灵敏度为1 0 0 11 0 l a v p a 。 5 0 年代中期，研制的电动式充油声压梯度水听器1 a 用于1 0 0 1 5 0 0 h z 的水声测量，柱高 和直径均为5 0 m m ，由于充油具有负浮力，因此声压接收灵敏度偏低，约1 1 2 l a v p a 。 6 0 年代中期美国出现了具有不动元件的声压梯度传感器结构的专利，6 0 年代末期出现的 第1 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 基于这类结构的典型的压电式振速水听器，它参数稳定，结构简单，易工艺化，可以构成 小尺度矢量水听器。2 0 世纪8 0 年代以后，矢量水听器技术逐渐从实验室走向实用。前苏 联和美国在此基础之上相继开发了多种系统，如，苏俄的c r a c - 4 9 6 、v 1 4 a 2 0 1 、p 肺2 6 和t a h c 8 ，美国的a n s s q 5 3 、a n s s q 一6 2 和a n s s q 7 7 等【6 儿7 。 国内对矢量水听器的研究开展的相对较晚一些，七五期间曾利用偶极子水听器在航空 定向声纳浮标应用上的研制工作，八五期间用声压梯度水听器阵进行了声强测量，但真正 对矢量水听器进行较深入的研究是在1 9 9 6 年以后。1 9 9 6 年哈尔滨工程大学贾志富教授成 功制作了同振球型矢量水听器和双迭片式不动外壳型矢量水听器【9 】，随后1 9 9 8 年8 月在吉 林省松花湖水域进行了国内首次矢量水听器的外场试验，2 0 0 0 年7 月在黄海海域进行了国 内首次矢量水听器的海试，这是国内最早的关于矢量水听器技术的外场试验。随后又进行 了2 0 0 2 年的密云水库试验和2 0 0 3 年的东海、南海声矢量水听器线阵试验。国内参与研究 的主要单位有哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船重工7 1 5 所和中科院声学所。由于压 电换能器技术非常成熟，因此国内对矢量水听器的研究也多是压电矢量水听器。 矢量水听器可以同时、共点的获取声压和振速信息，其信息处理可在相空间 仞) 仞2 ) v ) ，2 ) 仞，1 ，) 以p y p ，p v p ，2 ) 仞，v ，p v 等进行处理 7 】【8 】，其中1 ，为振速，p 为 声压，为声强， ，2 为动能，p 2 为势能，所以与传统的声压水听器相比矢量水听器可以 获得更多的声场信息和更高的信号增益，其主要有以下优点： 1 能够只利用单个水听器对目标进行定向，而且在一定条件下与目标源的频率范围 无关； 2 具有很高的抗干扰性； 3 在小功率辐射时，采用低频即可获得水下目标的远距离探测； 4 可以很好的去除常规均匀线阵的左右舷模糊问题； 5 与传统的探测设备相比，在相同的战技指标下，减小了重量和尺寸。 由于水声应用的低频化特点，对于传统的基于压电换能器的传感器来说，在低频时灵 敏度不高，检测的矢量信号较小，同时，它易受干扰，传输距离受限，难以在海上长期稳 定工作，这些问题严重阻碍着矢量检测研究的深入和应用的发展。为解决这些问题，人们 利用光纤进行过强度型、干涉型传感器等研究，近年来光纤光栅又成为研究的热点，但强 度型传感器灵敏度低，光纤光栅信号检测系统工作频率低并且系统复杂，使得它们在水声 矢量传感中受到较大限制。在各种传感技术中，光纤相干检测技术容易达到较高的灵敏度， 实现良好的低频响应，干涉型光纤矢量水听器【1 0 】【l l 】( 一般简称光纤矢量水听器) 就是建立 在这一基础上的高灵敏度水声矢量探测器。与传统压电探测器系统相比，干涉型光纤矢量 水听器灵敏度高，信号经光纤传输损耗小，无串扰，能在恶劣的水下、地下环境中实现长 期、稳定工作。另外，结合现有的光纤通讯技术，光纤矢量水听器可以方便地组建拖曳阵、 舷侧阵、岸基阵等各种水下全光阵列和大范围光纤传感网。 。 第2 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 根据目前已有文献，还没有找到能直接进行振速传感的光纤矢量水听器结构，现有的 光纤矢量水听器有声压梯度型、位移型和加速度型三种。对于位移型光纤矢量传感器，由 于声场中质点位移的幅度小且随频率增加而变小，使得其对位移的灵敏度提出了较高的要 求。对于声压梯度型光纤矢量水听器，其是通过检测声场中两个接近位置的声压差值来进 行，因此梯度型光纤矢量水听器检测到的信号为4 p = v p 4 尹，然后近似地求得梯度v p ， 由于其实际上检测的是声压的差值，并不是直接检测梯度，因此其几何尺寸不能太大，但 其灵敏度又需靠尺寸来提高，要求尺寸不能太小，这一点使得声压梯度型光纤矢量水听器 的灵敏度不是很高。对于加速度型光纤矢量水听器，由于目前的加速度传感器其灵敏度可 以可达到1 0 3 r a d g ，推算出其声压灵敏度可达一1 6 0 一1 2 0 d b ，具有较高灵敏度和较宽工作 频带。 由于明显的军事用途，国外光纤矢量水听器的研究极少见于报导，从这些为数极少的 报导中只能看出实验室研究阶段的结果。美国学者d l g a r d n e 一1 2 】在1 9 8 7 年研制了干涉 型光纤加速度计，系统采用中心质量块、光纤缠绕在两边弹性橡皮支撑体上的推挽式结构， 干涉仪为迈克尔逊结构。其加速度灵敏度为5 0 0 r a d g ，系统噪声本底为1 0g r a d 舷，最 小可测加速度为1n g h z 。 在国内，天津大学丁桂兰等人研制了三分量全光纤加速度地震检波器【1 3 1 ，系统由1 个 质量块，6 个顺变柱体，3 套迈克尔逊干涉仪光路组成。其单一轴向的加速度可达1 0 3 r a d g ， 可同时检测3 个轴向的加速度，经矢量合成得空间加速度，从而实现加速度的实时、高精 度检测。清华大学曾楠等人【1 4 1 研制了三分量的全向光纤加速度计来进行石油勘探和地震波 探测，其系统频率响应带宽为1 0 8 0 0 h z ，轴向灵敏度为7 9 4r a d g ，最小可检测加速度为 3 9 3g r a d f f t ? i - z 。国防科技大学罗洪等人研制了三分量全保偏光纤加速度传感器【l5 1 ，该传 感器由6 个弹性柱体共同支撑1 个质量块构成三分量结构，采用3 个迈克尔逊全保偏光纤 干涉仪共用一个光源组成。光学部分采用全保偏光纤干涉仪结构，消除了偏振不稳定性， 采用光频调制相位载波解调信号处理技术消除了干涉仪初始相位差的影响，从而实现了对 加速度信号的稳定检测，传感器的工作频带为2 5 5 0 0 h z ，加速度灵敏度达到6 6 0 r a d g ，系 统最小可测相位差为1 0 r a d ，最小可测加速度为1 5 x 1 0 7 m $ 2 ，工作频带内加速度灵敏度 变化小于2 d b 。x 、y 、z 轴加速度灵敏度和频响曲线与理论分析的结果基本一致。但以上 研究都没有对水声场进行测量，2 0 0 3 年，国防科技大学熊水东等人【l o 】研制了正交芯轴式干 涉型全保偏推挽结构的光纤矢量水听器，在7 1 5 所水声一级计量站进行了标定，并联合中 科院声学所在青岛附近海域进行了我国光纤矢量水听器首次海上试验，中科院声学所利用 单光纤矢量水听器成功实现了匹配场定位。2 0 0 6 年国防科学技术大学受国家8 6 3 计划支持 开展了光纤矢量水听器的研究( 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 2 1 ) ，2 0 0 7 年1 1 月，国防科技大学在湖南白 鹭湖进行了光纤矢量水听器指向性标定及测向试验【4 8 1 1 4 9 1 。2 0 0 8 年4 月，国防科技大学与中 第3 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 科院声学所，在南海进行了光纤矢量水听器测向及环境噪声测试等相关试验【5 0 1 。 综上所述，尽管目前光纤矢量水听器还不够成熟，是一种新技术，基于光纤矢量水听 器的应用还很少见，但是光纤矢量水听器的优良特性，为解决浅海低频的水声研究和应用 的许多问题提供了较为理想的技术途径，从而在以下一些重要的领域展示了广阔的应用前 景： 1 浅海海域、低频水声场探测； 2 在水下兵器试验场进行潜艇和舰艇的自噪声及辐射场测量； 3 水声警戒声纳、拖曳线列阵声纳、潜艇舷侧阵； 4 鱼雷、自主攻击水雷、自寻深水炸弹等尺度受限载体的水声探测； 5 石油勘探中的地震波检测。 1 2 矢量水听器海洋环境噪声研究现状 对于一个声纳系统来说，所做的工作有三步，即：目标的检测、目标的参数估计和目 标的识曼3 0 t 4 4 1 t 4 5 1 。在这三步中，第一步是最重要的，所谓目标的检测，就是指判断声纳系统 接收的波形中是否含有信号，于是，问题落在怎样从广阔的噪声场背景中检测出有用的信 号。因此，噪声场背景的特性便成为人们关注的重点，海洋环境噪声作为噪声场背景中最 大的也是最重要的噪声，更是备受关注。 海洋环境噪声是用指向性水听器测量到的海洋总噪声背景中的一部分【4 6 】。它既不是由 于水听器及其固有安装方式引起的“自噪声，也不是某些局部的可辨别噪声源产生的噪 声，它是除去所有可分辨的噪声源后所“剩下”的那一部分。其作为水声信道中的干扰背 景场，任何一个声纳系统的性能都受其限制，此外海洋环境噪声场也是海洋中固有的声场， 蕴含着海洋中丰富的信息。 海洋环境噪声在不同的频段具有不同的特性。一般来说，在2 0 5 0 0 h z 频段，远处行 船是引起噪声的主要原因；在0 5 2 0 0 k h z 频段，噪声主要来源是据测量点不远的海面风 生噪声，而1 0 0 k h z 以上，主要是海水分子运动产生的热噪声。这些噪声源的所在频段往 往有部分重叠，不是严格分段的。一般认为，风生海面噪声和远处航船是海洋环境噪声最 重要的两种噪声源i 1 6 j 。 海洋环境噪声的噪声源具有多样性。从发声的来源来分，其大体可分为气象噪声、人 为噪声和生物噪声三种类型。其中气象噪声包括由潮汐、地震扰动、海洋湍流、风、海面 波浪、降雨引起的噪声以及热噪声和冰下噪声等；人为噪声主要包括船舶噪声及近海的石 油开发和其他工业活动引起的噪声；生物噪声包括鲸和某些鱼、虾等海洋生物发出的噪声。 由于海洋环境噪声是一个非平稳的随机过程，一般是通过研究其时空相关函数来获得 海洋环境噪声场的特性。研究海洋环境噪声场时空相关函数不外乎实验和理论两种方法。 实验方法指现场测量和分析，然而，实验数据的离散性相当大，虽然从大量实验数据中已 第4 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 总结出一些普遍的规律，但实验数据本身总是不适于进行一般理论分析的。因此，还必须 参照实验数据和噪声场的物理激励，给噪声场建立合适的数学模型附】。 人们通过标量水听器技术，对海洋环境噪声进行了大量的测量研究，得到了海洋环境 噪声的许多特性，并建立了许多相关的模型对其进行理论研究。如2 0 世纪6 0 年代 c r o n s h e r m a n 【1 1 根据射线声学理论在远场条件的假设下提出的海面噪声场模型( c s 模型) ； 随后c h a p m a n 1 ”在此基础上加入海底反射而提出的c h a p m a n 模型；8 u c k i n 业a m t l g 用简正 波理论提出的b u c k i n g h a m 模型；p l a i s a n t 2 0 l 用射线理论描述海面噪声源层到接收器的声传 播，并考虑水体衰减、海底损失以及声速剖面影响的p l a i s a n t 模型；k u p e r m a n 和i n g e n i t o 口l j 利用全波理论提出的k i 模型；c a r e y 等人口1 将抛物线方程传播模型与海面噪声源耦合起 来提出的c a r e y 模型；p e r k i n g s 和k u p e r m a n 口”利_ j 绝热简正波理论，推广列i 模型至三维 的p k 模型；h a r r l s o n 【“枷】对声传播做射线处理提卅的c a n a r y 模型：张仁和t 2 6 院士将 w k b z 近似应用在噪声场的传播计算上提出的w k b z 模型等。 随着矢量水听器技术的发展，人们逐渐应用矢量水听器对海洋环境噪声进行测量研 究，并得到了不同于以往标量技术结果的海洋环境噪声的矢量特性。 早在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，前苏联远东科学研究院( 俄罗斯太平洋海洋技术 研究所) 就利用如图1 1 所示的矢量水听器测量系统对海洋环境噪声进行研究，图1 1 中 测量模型如图12 所示。经过2 0 多年海上试验，通过对日本海、库页岛、勘察加半岛和 南中国海等海域的大陆架和深海处进行的多次测量，获得了大量海洋环境噪声的原始数 据。其研究结果【2 7 - 3 2 1 丰要有以下几点： a 圊定系统：b 自由漂浮系统 测量模型；二锚：3 屯缆；4 _ 浮于；5 一无线电浮标；6 - 发射机： 7 - 重物；8 一试验船；斗岸站 图1 _ 1 前苏联父鼍永听器测量系统示意图 第5 页 垦堕坠兰垫奎奎兰塑圣圭墼兰堡篁三 一三坐标振速接收机厶橡胶壳3 吊架的固定体4 水听器5 一正浮力同定装冠岳正浮子7 纵倾控制 器8 - 储备浮力箱啦电缆1 01 1 - 浮子1 2 电缆接线盒1 3 导流罩1 4 - 圆柱体吊绳1 5 圆形塑料浮子 图1 2 测量模型示意图 1 海洋环境噪声场可以分为扩散场和相干场两部分，即总场的能量谱密度( ，) ， 由扩散场能量谱密度( ，) 和相干场能量谱密度( ，) 两部分组成： 品，( ，) = 5 州( ，) + 5 枷( 门。另外，总场能量谱密度又可写为动能谱密度乳( 门与势能谱密 度( ，) 之和，即：墨。( ，) = 凡。( ，) + s 删( ，) 。其中，各分量z = x , y ，z 的相干场能量谱密 度为，( 力= ，知( ，) & ，( ，) ，其中矗( ，) 为任意一点的相干函数，计算表达式为： 噍( ，) ；甄i s “? 丽( f ) 1 2 ，。s 噍1 1 ( 1 1 ) 其中s p t ( ，) 为声压自谱，最z ( ，) 为振速自谱，( ，) 为声压振速互谱。并指出，相干场分 量与水下环境噪声场的在海浪中转移的那部分能量密度有关，在一般情况下它占据总场能 量的小部分：扩散场由水下环境噪声的另外一部分能量密度确定，它与噪声能量转移无关 在一般情况下占据总场能量的大部分。 2 对频段6 - 1 0 0 0 h z 内海洋环境的动力噪声进行研究，发现了动力噪声水平能流和垂 直能流，并研究了动力噪声的垂直能流与风速之间的关系，同时确立了动力噪声相干场分 量与深度的关系式。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 发现了海洋环境噪声场中对遇能流强度的抵消现象，指出能够成为对遇相互作用 的能流有：环境噪声与局部声源的单频信号或宽带信号；来自不同随机统计不相关声源的 环境噪声；来自同一声源的信号或似噪声信号，但到达测量点的路径不同；来自不同不相 关声源的单频信号或似噪声信号。 4 以声线非连续入射到海洋表面波上时产生的原始的交叉散射为基础，建立了动力 噪声能流水平分量和垂直分量的物理模型。指出动力噪声能流水平分量和垂直分量的生存 时间( 即保持常数和恒定方向) 由该水域水文气象条件特性的稳定时间来决定。 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，美国s c r i p p s 海洋技术研究所舰船物理实验室【3 3 】瞰】在加 利福尼亚附近海域用s w a l l o w 浮标，如图1 3 所示，对海洋环境噪声中的次声频段进行了 测量研究，分析频段0 6 , - , 2 0 h z ，研究了次声频段声能流的水平分量和垂直分量同风速以及 深度之间的关系。2 0 0 4 年，美国n a v a ls u r f a c ew a r f a r ec e n t e r 在阿拉斯加附近海域利用5 基元矢量水听器垂直阵【3 5 】【3 6 】，如图1 4 、图1 5 所示，对海洋环境噪声进行了测量，并将测 量结果成功应用于潜艇的噪声源定位，其测量结果表明利用矢量水听器测得的环境噪声谱 级要比声压水听器测得的谱级低6 - - , 8 d b 左右。2 0 0 6 年，j f m c e a c h e r n 等人【37 】利用3 2 基 元矢量水听器垂直阵对深海海洋环境噪声进行了测量，其测量系统即所用矢量水听器如图 1 6 、图1 7 所示。在理论研究方面，h a w k e s 3 8 】推导出了远场条件下的矢量水听器海洋环境 噪声模型，并给出了水平方位无关、水平方位无关俯仰对称和球对称三种不同噪声源分布 情况下声压振速互相关矩阵。 1 天线2 无线电发射机3 环4 灯5 贯穿接头6 地震检波器7 罗盘8 - 夕 壳9 内壳1 0 前方1 1 可释放重物1 2 定位换能器 图1 3s w a l l o w 浮标示意图 第7 页 垦堕墼耋垫查奎兰竺圣圭璧兰堡篁圣 飧 一八 l ”黼一一 辨” 匿 幽15 矢量水听器基元实物图 耵 圈163 2 基元矢量水听器垂直阵i 量系统示意图图17 矢量水听嚣基元实物图 国内对矢量水听器的研究虽然开展较晚，但是对其噪声场特性的研究却是从一开始就 非常重视。在理论研究方面，首先是孙贵青州推导出了各向同性场中矢量水听器的声压振 速互相关矩阵，其结果如式12 所示，并讨论了噪声场对矢量水听器检测性能的影响。孙 岩松m ”推导了各向异性场情况下的矢量水听器声压振速的互相关矩阵，并给出了海面噪 声场和半各向同性噪声场两种典型各向异性噪声场的结果，其中海面噪声场下的结果如式 13 所示。以上两者的理论推导都是在远场模型下进行的，即事实上可以看作是标量模型 中的c s 模型推广到矢量模型的结果。鄢锦l 捌则利用标量模型中的c a n a r y 模型向矢量 模型推广，并给出了浅海及均匀半空间两种环境条件下的计算结果。 第8 页 垦堕墼耋垫奎奎兰塑塞竺墼兰堡篁兰 r = 000 ( 12 ) ( 1 3 ) 在实验研究方面，哈尔滨工程大学和中船重工7 6 0 研究所合作研制出利用矢量水听器 进行海洋环境噪声测量系统，如图18 、围1 9 所示，并对大连海域进行了环境噪声的测量， 获得了一些初步研究成果，矢量水听器可以有效抑制各向同性干扰，在测量的环境噪声 谱级上矢量水昕器要比声压水听器低6 - 1 0 d b 。 逡逡誓0 蔷奋誊邈鍪i 鉴 扣誊蹩盛幽黼遴萄鞫幽汹豳汹 i 测量船2 托缆3 浮子4 浮千5 - 橡皮筋岳阻尼器 7 浮子8 一钢绳9 重物l l 一浮体1 2 阻尼器13 - 测量装 置1 斗铜缆1 5 一电缆 图18 矢量承昕器测量环境噪声系统示意图闰1 9 矢量水听器测量装置外形 1 3 课题研究的意义及主要工作 光纤矢量水听器是一种新型的矢量水听器，其检测性能及对噪声场的抑制能力，决定 了其应用前景。光纤矢量水听器噪声声场特性分析本身就是对光纤矢量水听器技术的一种 检验。在声纳信号处理中，如何从广阔的噪声场背景中检测出信号始终是第一要务。事实 上，如果将背景噪声场的特性研究的非常透彻( 理想情况) ，那么，无论加入了多么小的 信号，也总是可以将其检测出来的，可见，对背景噪声场特性研究的越充分，则对信号的 检测也就越容易。海洋环境噪声作为声纳信号处理中最大也最重要的背景噪声场，对其特 性的研究一直都是人们关注的焦点。加速度型光纤矢量