CN113108897B - 一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法，涉及海洋环境噪声监测领域。针对海洋环境噪声场预报中，缺乏海面风生噪声源非均匀分布情况，而现有风关噪声预报都是基于单点站位或大尺度模式风场，无法获取大范围、高分辨率的噪声源强度分布计算的难题，提供一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法。包括步骤：1)合成孔径雷达海面风场预处理；2)风关海面噪声源强度分布计算；3)三维海洋环境噪声场强度分布计算。利用合成孔径雷达获取的高分辨率海面风场信息，计算风关噪声源强度的非均匀分布，根据经典的声传播模型，计算三维声场的强度分布，实现风关海洋环境噪声场的预报，提供理论上更符合实际情况的高分辨率预报结果。

Description

一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法
技术领域
本发明涉及海洋环境噪声监测领域，尤其是涉及一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法。
背景技术
声波是海水中唯一有效的信息载体，是监控海洋的重要手段之一(汪德昭,尚尔昌,水声学[M],北京：科学出版社，2013)。声波传播信道的海洋水声环境是极其复杂的时变、空变的随机信道，而其中一个非常重要的声学特性就是海洋环境噪声(郭新毅,李凡,铁广朋,马力,海洋环境噪声研究发展概述及应用前景[M],物理.2014)。海洋环境噪声是海洋环境中普遍存在而又不期望出现的背景声场，是限制主、被动声纳工作性能发挥的主要因素(美国国家研究理事会海洋环境噪声对海洋哺乳动物的潜在影响研究委员会(著),杨燕明(译)，海洋噪声与哺乳动物[M]，北京：海洋出版社，2010)。因其现实的军事应用需求一直是海洋声学领域的研究热点之一(尤立克R J.水声原理[M].第3版.洪申译.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990:162-189)。二战后，Knudsen(Knudsen V O,Alford R S,EmlingJ W.Under-water ambient noise[J].J.Mar Res.,1948；7:410-429)给出著名的风生海洋环境噪声“Knudsen曲线”；此后，人们补充航船、海洋生物、湍流等对海洋环境噪声的影响，其中Wenz(Wenz G M.Acoustic Ambient Noise in the Ocean:Spectra and Sources[J].J.Acoust.Soc.Am.,1962；34(12):1936-1956.Wenz G M.Review of underwateracoustics research:noise[J].J.Acoust.Soc.Am.,1972；51(3):1010-1024)给出著名的深海海洋环境噪声“Wenz谱级曲线”。1984年，Urick(Urick R J.Ambient noise in thesea[M].Washington:Published by Undersea Warfare Technology Office,Naval SeaSystems Command,Department of the Navy,1984)从海洋环境噪声的声源特性、变化特性、指向性、相干性以及海洋环境噪声对接收深度的依赖关系等方面对海洋环境噪声研究进行系统综述。2011年，Carey和Evans(Carey W M,Evans R B.Ocean ambient noise:measurement and theory.Sponsored by Office of Naval Research,Published bySpringer,2011)从海洋环境噪声产生机理、数值模拟及测量研究等方面对海洋环境噪声的研究进行系统总结和论述。海洋环境噪声的理论建模和数值预报也是非常重要的研究方向，Cron(Cron B F,Sherman C H.Spatial-correlation function for various noisemodels[J].J.Acoust.Soc.Am.,1962；34(11):1732-1736)提出海面环境噪声的经典模型、Kuperman和Ingenito(Kuperman W A,Ingenito F.Spatial correlation of surface-generated noise in a stratified ocean[J].J.Acoust.Soc.Am.1980,67(6):1988-1996)提出的分层海洋的波动模型、Harrison(Harrison C H.CANARY:A simple model ofambient noise and coherence.Applied Acoustics.1997,51(3):289-315)提出的射线声学模型、以及RANDI(Wagstaff R A.RANDI:Research ambient noise directionalitymodel[M].Nav.Undersea Ctr,Tech.Pub.:1973)数值预报模型等。Piyush等(Asolkar,P.,et al.Tropical littoral ambient noise probability density function modelbased on sea surface temperature[J].The Journal of the Acoustical Society ofAmerica,2016,140(5):452-457)分析热带海区海水温度对噪声模型的影响，Najeem等(Najeem,S.,et al.Wind induced ambient noise modelling and comparison withfield measurements in Arabian Sea[J].Applied Acoustics,2015,89(Supplement C):101-106)利用阿拉伯海的噪声和浮标数据建立风生噪声的模型。国内在海洋环境噪声研究方面也有不少工作，主要有浅海海洋环境噪声特性研究([18]李丙辉.浅海风成海洋环境噪声场空间结构及海底参数反演研究[D].中国海洋大学,硕士学位论文,2004)，海洋环境噪声源特性研究(笪良龙,王超,卢晓亭,等.基于潜标测量的海洋环境噪声谱特性分析[J].海洋学报,2014,36(5):54-60)，海洋环境噪声的建模与预报研究(林建恒,衣雪娟,陈鹏,等.风关海洋环境噪声源模型[J].声学技术(增刊),2006,25:53-54)。
海面风关噪声源在空间上是非均匀分布的，且持续性的背景噪声主要是由该声源作用产生的。现有的噪声模型主要是利用噪声测量系统附近的浮标、船舶或观测站获取的风速信息或数值预报结果建立的，尽管现场测量的数据精度较高，但是受到海域、测量周期、经费投入等限制，难以实现大范围的观测；而现有的噪声估计模型中，假设海面声源为均匀分布，即数十公里区域内的声源强度相同，以单一位置的声源观测值代表整个区域的观测结果，其在理论上不够严密，且估计结果精度有限。
发明内容
本发明的目的在于针对海洋环境噪声场预报中，缺乏海面风生噪声源非均匀分布情况，而现有的风关噪声预报都是基于单点站位或大尺度模式风场，无法获取大范围、高分辨率的噪声源强度分布计算的难题，提供一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法。
本发明包括以下步骤：
1)合成孔径雷达海面风场数据预处理；
在步骤1)中，所述合成孔径雷达海面风场数据预处理的具体步骤可为：标记合成孔径雷达海面风场数据中的空值和非法值，采用最邻近插值算法对这些标记格网赋值，得到高分辨率的风速场w(x，y)，其中，(x，y)是合成孔径雷达风场格网单元的坐标。
2)风关海面噪声源强度分布计算；
在步骤2)中，所述风关海面噪声源强度分布计算的具体方法可为：利用步骤1)中得到风速场w(x，y)，采用风关噪声声源级的计算模型(公式(1))，将w(x，y)带入公式(1)，得到噪声源强度的分布I(x，y)。
Figure BDA0003035934420000031
其中，SL为噪声源级，f为频率，单位为：Hz，U为风速，单位为：m/s。
3)三维海洋环境噪声场强度分布计算；
在步骤3)中，所述三维海洋环境噪声场强度分布计算的具体方法可为：利用步骤2)得到的噪声源强度分布，采用经典声传播理论中的射线模型，计算I(x，y)中每个单元向外辐射的三维复数声场强度Pn→k(xn，yn，xk，yk，zk)，其中，(xn，yn)是第n个声源的位置坐标，(xk，yk，zk)是三维空间中第k个位置的坐标，通过对三维空间中每个位置(xk，yk，zk)的复数声场求和，得到三维噪声场强度P(xk，yk，zk)，实现海洋环境噪声场的预报。
本发明以实现海洋环境噪声场预报为目标，利用合成孔径雷达观测高分辨率海面风场的能力，获取非均匀分布的海面风关噪声源强度，采用经典的声传播模型计算声场强度分布，实现风关海洋环境噪声场的预报，具体的过程如下：
1.合成孔径雷达海面风场预处理。
2.风关海面噪声源强度分布计算。
3.三维海洋环境噪声场强度分布计算。
本发明为解决海洋环境噪声场预报中风关声源强度分布计算的难题，提出一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法，利用合成孔径雷达获取的高分辨率海面风场信息，根据经典的射线传播模型，计算三维声场的强度分布，实现风关海洋环境噪声场的预报。
附图说明
图1为预处理后的合成孔径雷达海面风速场。右侧色标代表风速值的范围。
图2为计算得到的风关海面噪声源的强度分布。噪声频率为400Hz，右侧色标代表声源强度的范围。
图3为计算得到的风关海面噪声源的强度分布。噪声频率为3200Hz，右侧色标代表声源强度的范围。
图4是非均匀风关噪声源计算三维海洋环境噪声场的示意图。其中，VLA是垂直水声观测阵，代表对该位置噪声强度的垂直分布的观测。
图5为三维海洋环境噪声场强度分布。为能够有效的展示结果，采用海洋声学研究中通用的方式，选取水平面内某个位置噪声强度的垂直分布进行展示，噪声频率为400Hz和3200Hz。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
1)合成孔径雷达海面风场数据预处理：标记合成孔径雷达海面风场数据中的空值和非法值，采用最邻近插值算法对这些标记格网赋值，得到高分辨率的风速场w(x，y)，其中，(x，y)是合成孔径雷达风场格网单元的坐标。
2)风关海面噪声源强度分布计算：利用步骤1)中得到风速场w(x，y)，采用申请人研发的风关噪声声源级的计算模型(公式(1))，将w(x，y)带入公式(1)，得到噪声源强度的分布I(x，y)。
Figure BDA0003035934420000041
其中，SL为噪声源级，f为频率，单位为：Hz，U为风速，单位为：m/s。
3)三维海洋环境噪声场强度分布计算：利用步骤2)得到的噪声源强度分布，采用经典声传播理论中的射线模型，计算I(x，y)中每个单元向外辐射的三维复数声场强度Pn→k(xn，yn，xk，yk，zk)，其中，(xn，yn)是第n个声源的位置坐标，(xk，yk，zk)是三维空间中第k个位置的坐标，通过对三维空间中每个位置(xk，yk，zk)的复数声场求和，得到三维噪声场强度P(xk，yk，zk)，实现海洋环境噪声场的预报。
以下给出具体实施例：
本发明实施例的基于非均匀分布风关声源的海洋环境噪声场预报方法，其基本步骤是：
1、合成孔径雷达海面风场预处理。标记合成孔径雷达海面风场数据中的空值和非法值，采用最邻近算法对这些标记格网赋值，得到的风场如图1所示，其空间分辨率为100m×100m。
2、风关海面噪声源强度分布计算。利用1中得到的风速数据，根据公式(1)，计算风关噪声源强度的分布，如图2(噪声频率为400Hz)和图3(噪声频率为3200Hz)所示。
3、三维海洋环境噪声场强度分布计算。如图4所示，利用步骤2中得到声源强度分布，采用经典的射线传播模型，计算每个声源产生的复数声场，进而将所有的复数声场进行复数求和，得到总的海洋环境噪声场强度分布，其中某个位置的噪声场的垂直分布如图5所示。
本发明通过利用高分辨率合成孔径雷达海面风场，建立非均匀分布风关声源强度的计算方法，实现对风关海洋环境噪声场的预报。与现有预报方法相比，理论上更符合实际情况、具有更高的空间分辨率、结果准确性和可信度更高等优点。

Claims (1)

1.一种基于非均匀风关声源的海洋环境噪声场预报方法，其特征在于包括以下步骤：
1)合成孔径雷达海面风场数据预处理：
标记合成孔径雷达海面风场数据中的空值和非法值，采用最邻近算法对这些标记格网赋值，得到高分辨率的风速场w(x,y)，其中，(x,y)是合成孔径雷达风场格网单元的坐标；
2)风关海面噪声源强度分布计算：
利用步骤1)中得到风速场w(x,y)，将w(x,y)带入风关噪声声源级的计算模型，得到噪声源强度的分布I(x,y)；所述风关噪声声源级的计算模型如下：
Figure FDA0003728809980000011
其中，SL为噪声源级，f为频率，单位为：Hz，U为风速，单位为：m/s；
3)三维海洋环境噪声场强度分布计算：
利用步骤2)得到的噪声源强度分布，采用经典声传播理论中的射线模型，计算I(x,y)中每个单元向外辐射的三维复数声场强度Pn→k(xn,yn,xk,yk,zk)，其中，(xn,yn)是第n个声源的位置坐标，(xk,yk,zk)是三维空间中第k个位置的坐标，通过对三维空间中每个位置(xk,yk,zk)的复数声场求和，得到三维噪声场强度P(xk,yk,zk)，实现海洋环境噪声场的预报。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114925496B (zh) * 2022-04-19 2023-05-12 中国科学院声学研究所 一种海洋环境噪声预报方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504714A (en) * 1995-02-24 1996-04-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Acoustic and environmental monitoring system
EP1273927A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-08 Soundscience Wm Pty Ltd. Environmental noise monitoring
CN106441553A (zh) * 2016-09-30 2017-02-22 中国海洋大学 一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法
CN111693130A (zh) * 2020-06-20 2020-09-22 王茂法 一种海洋环境噪声测量系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7505367B2 (en) * 2006-08-02 2009-03-17 New Jersey Institute Of Technology System and method for using acoustic field parameters for communication
CN105988135B (zh) * 2015-02-11 2018-09-14 中石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司 基于投影菲涅尔带的三维起伏地表高斯束正演模拟方法
SG11202000451WA (en) * 2017-07-18 2020-02-27 Mark Andrew Englund Method and system for distributed acoustic sensing in a marine environment
CN107576388B (zh) * 2017-08-22 2020-07-28 哈尔滨工程大学 一种浅海信道下三维结构声源辐射声场预报方法
CN112254797B (zh) * 2020-10-12 2022-07-12 中国人民解放军国防科技大学 一种提高海洋声场预报精度的方法、系统及介质
CN112254798B (zh) * 2020-10-12 2022-07-12 中国人民解放军国防科技大学 一种预报海洋矢量声场的方法、系统及介质

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504714A (en) * 1995-02-24 1996-04-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Acoustic and environmental monitoring system
EP1273927A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-08 Soundscience Wm Pty Ltd. Environmental noise monitoring
CN106441553A (zh) * 2016-09-30 2017-02-22 中国海洋大学 一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法
CN111693130A (zh) * 2020-06-20 2020-09-22 王茂法 一种海洋环境噪声测量系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ENVISAT星载合成孔径雷达反演风场在江苏近海风场研究中的应用初探;陈燕 等;《高原气象》;20170630;第36卷(第3期);第853-857页 *
一种计算航船对近海海洋环境噪声贡献的算法;戎泽存 等;《声学技术》;20201030;第39卷(第5期);第561页 *
海洋环境噪声预报与仿真方法研究;姚万军 等;《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》;20080630(第03期);第462-464页 *

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Publication number Publication date
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