海面噪声源分布的非均匀性对环境噪声场的影响

The development of quiet submarine has proposed the request to improve the level of weak signal detection. To obtain higher signal-to-noise gain, both sound pressure and particle velocity are considered instead of only sound pressure in underwater target detection, which is based on the assumption of stationary signal and isotropic ocean ambient noise. In practical application, ocean ambient noise field is usually assumed to be isotropic for both scalar and vector signal processing methods to estimate the performance of underwater acoustic detecting systems. In fact, the surface noise sources are anisotropically distributed, which are stongly nonuniform in the horizontal direction especially near sea-route. Wind-generated noise sources are also nonuniformly distributed. Ocean ambient noise is anisotropic both in the vertical and horizontal direction. In the project, we will assume that the surface sources are nonuniform distributed and build a simplified model for the nonuniform-distributed surface sources, and study the spatial-temporal coherence characteristics of acoustic pressure and particle velocity of ocean ambient noise. We will also design an experimental scheme and process experimental data. This project will provide physical foundation for detecting weak signal and suppressing ambient noise interference.

安静型低反射强度潜艇的出现，对微弱信号检测提出了更高要求。为了获得更高增益，已有学者主张水下目标探测从声压场检测，向声压和振速联合检测发展。水声矢量场检测基本技术，建立在平稳信号和各向均匀海洋环境噪声背景场的基础上。注意到在常用的信号处理方法和实际应用中，无论是标量场还是矢量场，往往都假定环境噪声场为各向同性，以此来估计水声探测系统的性能。实际海洋中，海面噪声源的分布是非均匀的，特别是在航道附近，噪声源在水平方向分布呈现强烈的非均匀性；风关海面噪声源亦具有方向性，海洋环境噪声在垂直和水平面均呈现为各向异性。本项目将考虑噪声源在海面非均匀分布的情况，建立非均匀分布噪声源简化模型，在此模型基础上研究环境噪声声压与质点振速的非平稳性，声压、振速以及声压与振速的时空相关特性，海面噪声源非均匀分布的噪声测量方案与实测数据分析处理，为抑制环境噪声干扰、提高低信噪比情况下微弱信号的检测率提供物理基础。

随着声隐身技术的迅速发展，现代水中目标的声信号日趋微弱，这对目标检测技术提出了更高要求。上世纪八十年代，前苏联和美国等发达国家发展了将介质质点振速测量与传统的声压测量相结合的矢量水听器技术，使用声压和振速联合检测比单纯的声压测量可以获得更多的声场信息。水声矢量场检测的基本技术，建立在平稳信号和各向均匀海洋环境噪声背景场的基础上。在常用的信号处理方法和实际应用中，无论是标量场还是矢量场，往往假定海洋环境噪声场水平方向各向同性，以此来估计水声探测系统的性能。事实上，不均衡的海气动力以及人类活动等因素产生的海洋环境噪声源是水平非均匀分布的，特别是在航道附近，导致海洋环境噪声场出现水平各向异性。因此研究海洋环境噪声矢量场特性，可以为抑制背景噪声干扰，提高微弱信号识别提供物理基础。.本项目首先在浅海波导环境中，利用射线虚源法研究了界面对质点振速场的影响，得到了由于多途效应在浅海波导环境中使用单个矢量水听器不会获得接收点与目标连线垂向角的结论；然后针对海面噪声源非均匀分布情况，结合海上航船分布数据，提出了混合型非均匀分布噪声源模型，模型由海面下一无限大平面上均匀分布的噪声源和另外平面上多个局部区域分布的非均匀噪声源组成，该源模型能够较好地反映海面上均匀分布的风关噪声源和局部区域存在非均匀分布航船噪声源的实际情况；在此非均匀分布噪声源模型基础上，理论分析了接收点处海洋环境噪声水平声能流，以及两接收点声压与振速、振速与振速之间的互谱密度，并针对海面上存在航道、港口或离散航船等非均匀分布或强度不等的噪声源情形进行了数值仿真，结果表明不同位置接收点的海洋环境噪声水平声能流明显不同，其方向和大小是所有噪声源产生的声能流在接收点的合成结果，特别是当接收点附近存在强噪声源时，会极大的影响水平声能流的大小和方向；最后分析了某浅海海域的海洋环境噪声矢量场实测数据，结果表明通过水平声能流可以监测信号或者“类信号”噪声源的存在，通过一段时间的检测可以较为准确的判定信号源所在的水平方位角。