CN114925496B - 一种海洋环境噪声预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋环境噪声预报方法，包括：根据海底地形底质数据库或者实测海底地形底质建立预报海域三维海底模型；通过实测数据或者水文数据库获得计算海域海洋声道水文条件；利用遥感等气象预报方法获得预报地点的风速、降雨等海面气象状况；利用风速和降雨数据计算单位面积海面噪声源的源强度，利用射线声传播方法计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，进而计算获得所需位置的噪声级。

Description

一种海洋环境噪声预报方法

技术领域

本发明涉及水声工程、海洋工程、声呐技术领域，尤其涉及一种海洋环境噪声的预报方法。

背景技术

海洋环境噪声作为水声信道中的一种干扰背景，长期存在于海洋波导中。各种类型的噪声源在不同频段和时间下起不同程度的作用，风生和降雨噪声是海洋信道中高频段噪声的主要成分。在声呐信号处理中，为了准确获知“信噪比”，噪声强度、时空变化特征及统计特性等是声呐系统设计与使用必需考虑的参数。由于自然噪声源主导了海洋环境噪声级的基准分布，因此对于海洋环境噪声的研究也有助于海洋风和降雨的研究。

由于对环境噪声研究的深入和水声工程实际应用需要，为了充分掌握风速、降雨与相应环境噪声之间的关系，通常需要精确的海洋环境噪声预报模型。可以利用简正波声传播理论建立噪声场模型，发展适合于航道附近的海洋环境噪声预报模型，同时考虑海面均匀分布噪声源和附近离散分布船噪声的影响，参见参考文献[1](“航道附近的海洋环境噪声场模型”，2009年2月发表在《中国科学(G辑:物理学力学天文学》第39期，起始页码为249)，该模型局限性在于只能建立二维海底地形、底质和水文条件的噪声场结果，且计算速度较慢。基于射线理论提出的水平不变环境下的噪声场建模，能够给出了适用于南海区域不同风速条件下噪声深度变化和噪声级的方法，参见参考文献[2](“南海深海风生噪声特性分析及其噪声源模型修正”，2020 年9月发表在《声学学报》第45期，起始页码为655)，该模型计算速度快，但该模型的局限性在于只能计算二维海洋环境下的噪声场，另外该模型也无法实现海面风和降雨同时作用情况下的噪声的预报。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有模型只能计算二维海底地形、底质和水文条件的噪声场结果，计算速度较慢，无法实现海面风和降雨同时作用情况下的噪声的预报等的缺陷，提出了一种基于射线声传播理论计算的，三维海底地形、底质和水文条件噪声场的噪声预报方法。

为实现上述目的，本发明提供一种海洋环境噪声预报方法，利用海域三维海底模型、海域海洋声道水文条件三维模型和预报地点风速、降雨的海面气象状况，利用射线声传播理论计算所需位置的噪声级。

基于上述方法的一种改进，所述方法包括：

步骤1)：建立预报海域三维海底模型；

步骤2)：计算海域海洋声道水文条件三维模型；

步骤3)：遥感等气象预报方法获得预报地点风速、降雨的海面气象状况；

步骤4)：计算海面单位面积噪声源强度；

步骤5)：利用射线声传播理论计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算获得所需位置的噪声级。

基于上述方法的一种改进，步骤1)为根据海底地形底质数据库或者实测海底地形底质，获得预报海域地形及底质数据，建立海底地形及相应底质的三维海底模型。

基于上述方法的一种改进，步骤2)为通过数据库数据导出及外推扩展或者根据实验现场采样计算海域海洋声道水文条件三维模型，即获得相应与三维位置有关的声速 c(x,y,z)。

基于上述方法的一种改进，步骤4)为利用遥感等气象预报方法获得的预报地点的风速、降雨海面气象状况，分别代入风生噪声源级公式和降雨噪声源级公式；

风生噪声源级公式：

SLW＝C-alog₁₀[(f/400)²+1]+(b+U/2.06)log₁₀(U/5.15)，

500Hz≤f＜6400Hz

其中，SLW为风生噪声源级；f为频率(单位Hz)；U为海面10m高度处风速(单位m/s)；C为幅度常数项，取值范围是40至70；a为频率有关项，取值范围是2至10； b为风速有关项，取值范围是8至28；

降雨噪声源级公式：

SLR＝51+10log₁₀R，500Hz≤f＜6400Hz

其中，SLR为降雨噪声源级；f为频率(单位Hz)；R为海面降雨(单位mm/h)。

根据SLW和SLR计算海面单位面积噪声源强度

表示为：

基于上述方法的一种改进，步骤5)为计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算获得所需位置的噪声级。

声压场建模如图1所示，采用柱坐标系，接收器位于z轴在图中圆柱体中虚线上突出的点1，在水平面内以接收阵为中心计算半径r范围内噪声源产生的噪声场。计算不同方位和距离噪声源到达接收器的声压，将计算海域按照角度分为L个方位分区，再按距离将计算半径划分成J个距离，则计算区域内的海面被划分为与方位角θ_l＝lΔθ(l＝1,2,…,L)和水平距离r_j＝r₀+jΔr(j＝1,2,…,J)有关的多个扇环，每个扇环的面积为S_j＝r_jΔθΔr；计算每个扇环内中心声源至接收点的声场，用p(z_r,j,l,z_s)表示位于水平距离r_j、方位θ_l、深度z_s处的声源在接收位置z_r处产生的声压；声压采用射线声传播理论计算，将噪声源位置s(j,l,z_s)和接收点位置s(0,0,z_r)输入权利要求1所述的三维海底模型和权利要求2所述的水文条件三维模型，计算其经过海底反射或水文折射等传播的矢量轨迹，出射角α₀对应的矢量轨迹定义为s，则对应声压为：

其中，i为复数单位，ω＝2πf，

将不同出射角度对应的声压p(s)加和即得p(z_r,j,l,z_s)；

当计算频率为f的噪声级时，假设互不相关的海面噪声源随机均匀分布在海面以下四分之一波长处，即深度

的无限大平面上，c为权利要求3中声速c(x,y,z) 的均值，单位面积的噪声源强度为

接收点z_r处的风关环境噪声场由所有海面噪声源对接收点的贡献叠加获得：

式中Ψ_j和Ψ_l是0～2π均匀分布的随机数，分别表示距离和方位的随机相位信息。噪声场空间分布特征用两点声场复共轭积的系综平均表示，称为噪声互谱密度，它代表了噪声场的空间特性，定义为：

式中*表示复共轭,<>号表示系综平均。将上式等号右侧系综平均内展开：

假设来自不同扇环面(即l≠l'或j≠j')的噪声是互不相关的，则噪声互谱密度可近似为：

接收点z_r的声压值通过射线计算模型获得。令z_r＝z'_r,对上式两边取对数获得接收深度处z_r的环境噪声强度级：

NL(z_r)＝10*log₁₀<|P_noise(z_r)|²>。

声压场建模时，J取值范围是1000至10000，所述L取值范围是72至720。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明基于射线声传播理论，建立了海洋环境噪声预报方法，可以利用三维地形、底质、水文等条件建立三维噪声预报模型，利用该方法可以预报该海域在不同海面风速和降雨情况下的不同接受深度的噪声谱级，该方法能够同时考虑风速和降雨的影响预报环境噪声场。

附图说明

图1所示为环境噪声场三维模型及海面噪声源分布及计算示意图；

图2所示为海洋环境噪声预报方法流程图；

图3所示为实施例中实测东印度洋海域水文条件；

图4所示为实施例中相同风速不同降雨条件下实测与模型预报噪声谱结果图。

具体实施方式

本发明利用数据库或者现场实测数据建立包括三维海底地形、三维海底底质、三维声速剖面在内的三维声道模型，利用遥感等气象预报数据建立海面噪声源模型，继而利用射线声传播方法计算该环境下海域噪声场预报的问题。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明提出一种海洋环境噪声预报方法，基于射线声传播理论实现，所述海洋环境噪声预报方法包括噪声源模型和传播模型；首先根据海底地形底质数据库或者实测海底地形底质建立预报海域的三维海底模型；通过实测水文数据或者水文数据库导出计算海域的海洋声道水文条件三维模型；利用遥感等气象预报方法获得预报地点的风速、降雨等海面气象状况；将海面风速和降雨量作为输入参数输入噪声源强度公式计算海面单位面积噪声源强度；利用射线声传播理论计算所需海域内不同方位和距离的海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算获得所需位置的噪声级。

如图2所示，本发明实现过程分为以下步骤：

1：步骤1)建立预报海域三维海底模型。根据相应数据库或者实验现场采样，获得准确可靠的计算海域地形及底质数据，建立海底地形及相应底质的三维模型场。在东印度洋实验中实测海底地形基本没有起伏，看作水平海底，平均海深约为3095 m。

2：步骤2)计算海域海洋声道水文条件三维模型。通过数据库数据导出或者根据实验现场采样，建立计算海域海洋声道的水文条件三维模型。在东印度洋实验中实测的接收点处的声速剖面，参照图3，实验海域地形平坦声速变化较小，将声道不同位置的声速剖面都采用该声速剖面c(z)。

3：步骤3)遥感等气象预报方法获得预报地点的风速、降雨海面气象状况。

4：步骤4)计算海面单位面积噪声源强度。已知遥感等气象预报方法获得的预报地点的风速、降雨等海面气象状况，分别代入风生噪声源级公式和降雨噪声源级公式；

风生噪声源级公式：

SLW＝C-alog₁₀[(f/400)²+1]+(b+U/2.06)log₁₀(U/5.15)，

500Hz≤f＜6400Hz

其中，SLW为风生噪声源级；U为海面10m高度处风速(单位m/s)；C为幅度常数项，取值范围是40至70；a为频率有关项，取值范围是2至10；b为风速有关项，取值范围是8至28；

降雨噪声源级公式：

SLR＝51+10log₁₀R，500Hz≤f＜6400Hz

其中，SLR为降雨噪声源级；f为频率(单位Hz)；U为海面10m高度处风速 (单位m/s)，R为海面降雨(单位mm/h)。

根据SLW和SLR计算海面单位面积噪声源强度

表示为：

在东印度洋实验中，选取风速为9.8m/s条件下降雨率分别为0mm/h和4mm/h 气象条件下不同频率f的实验噪声谱级。

各参数取值为，风速U取9.8m/s，参数C取48.78，a取3.741，b取11.85，得到各频率f的风声噪声源级SLW(f)值如下表：

频率(f)	508	640	806	1016	1280	1613	2032	2560	3225	4064	5120	6451
													SLW(dB)	51.87	51.37	50.8	50.17	49.5	48.81	48.1	47.37	46.63	45.89	45.15	44.4

将降雨率0mm/h和4mm/h分别代入降雨噪声源级公式：

得到两时段降雨噪声源SLR1和SLR2。

降雨率0mm/h时：

SLR1＝0dB,代入

得到：

降雨率4mm/h时：

SLR2＝57.05dB，代入

得到：

5：步骤5)利用射线声传播理论计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算获得所需位置的噪声级。计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算获得所需位置的噪声级。声压场建模参照图1，采用柱坐标系，接收器位于z轴在图中圆柱体中虚线上突出的点1，在水平面内以接收阵为中心计算半径r范围内噪声源产生的噪声场。计算不同方位和距离噪声源到达接收器的声压，将计算海域按照角度分为L个方位分区，再按距离将计算半径划分成J个距离，则计算区域内的海面被划分为与方位角θ_l＝lΔθ(l＝1,2,…,L)和水平距离r_j＝r₀+jΔr(j＝1,2,…,J)有关的多个扇环，每个扇环的面积为S_j＝r_jΔθΔr。计算每个扇环内中心声源(图1中黑色爆炸点2)至接收点的声场，用p(z_r,j,l,z_s)表示位于水平距离r_j、方位θ_l、深度z_s处的声源在接收位置z_r处产生的声压；声压采用射线声传播理论计算，将噪声源位置s(j,l,z_s)和接收点位置s(0,0,z_r)输入权利要求1所述的三维海底模型和权利要求2所述的水文条件三维模型，计算其经过海底反射或水文折射等传播的矢量轨迹，出射角α₀对应的矢量轨迹定义为s，则对应声压为：

其中，i为复数单位，ω＝2πf，

将不同出射角度对应的声压p(s)加和即得p(z_r,j,l,z_s)。

实际计算时，考虑到海面不同风速和不同降雨的影响范围有所不同，可以适当调整计算的水平半径r。

实际计算时，J取值范围在1000～10000，L取值范围在72～720。增大J和L值可以相应的提高计算精度。本实施例中使用的具体参数计算水平半径r为60km，水平方向角间隔Δθ为1°，水平距离Δr间隔10m，也即L为6000，J为360。

当计算频率为f的噪声级时，需要假设互不相关的海面噪声源随机均匀分布在海面以下四分之一波长处，即深度

的无限大平面上，c为权利要求3中声速 c(x,y,z)的均值，单位面积的噪声源强度为

为方便表述以下忽略f变量，接收点z_r处的风关环境噪声场可以由所有海面噪声源对接收点的贡献叠加获得：

式中Ψ_j和Ψ_l是0～2π均匀分布的随机数，分别表示距离和方位的随机相位信息。噪声场空间分布特征用两点声场复共轭积的系综平均表示，称为噪声互谱密度，它代表了噪声场的空间特性，定义为：

式中*表示复共轭,<>号表示系综平均。将上式等号右侧系综平均内展开：

假设来自不同扇环面(即l≠l'或j≠j')的噪声是互不相关的，则噪声互谱密度可近似为：

接收点z_r的声压值可通过射线计算模型获得。令z_r＝z'_r,对上式两边取对数便可获得接收深度处z_r的环境噪声强度级：

NL(z_r)＝10*log₁₀<|P_noise(z_r)|₂〉

将步骤3中计算得到的两种海面气象条件下各频率f的噪声源强

分别代入公式：

NL(z_r)＝10*log₁₀<|P_noise(z_r)|²>，

即可得到不同频率f预报噪声谱级结果NL1(f)和NL2(f)。

在东印度洋实验中，实验结果参照图4中实线和虚线，具体数值如下： NL1(f):

NL2(f):

通过实际例子得到的验证结果表明，本发明的方法可以有效预报在东印度洋海域，不同海面风速和降雨状况下的海洋环境噪声。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种海洋环境噪声预报方法，其特征在于，利用海域三维海底模型、海域海洋声道水文条件三维模型和预报地点风速、降雨的海面气象状况，利用射线声传播理论计算所需位置的噪声级；

所述方法包括：

步骤1)：建立预报海域三维海底模型；

步骤2)：计算海域海洋声道水文条件三维模型；

步骤3)：遥感等气象预报方法获得预报地点风速、降雨的海面气象状况；

步骤4)：计算海面单位面积噪声源强度；

步骤5)：利用射线声传播理论计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算所需位置的噪声级；

所述步骤1)为根据海底地形底质数据库或者实测海底地形底质，获得预报海域地形及底质数据，建立海底地形及相应底质的三维海底模型；

所述步骤2)为通过数据库数据导出及外推扩展或者根据实验现场采样计算海域海洋声道水文条件三维模型，获得相应与三维位置有关的声速c(x,y,z)；

所述步骤4)为利用遥感等气象预报方法获得的预报地点的风速、降雨海面气象状况，分别代入风生噪声源级公式和降雨噪声源级公式；

风生噪声源级公式：

SLW＝C-alog₁₀[(f/400)²+1]+(b+U/2.06)log₁₀(U/5.15)，

500Hz≤f＜6400Hz其中，SLW为风生噪声源级；f为频率，单位Hz；U为海面10m高度处风速，单位m/s；C为幅度常数项，取值范围是40至70；a为频率有关项，取值范围是2至10；b为风速有关项，取值范围是8至28；

降雨噪声源级公式：

SLR＝51+10log₁₀R，500Hz≤f＜6400Hz

其中，SLR为降雨噪声源级；f为频率，单位Hz；R为海面降雨，单位mm/h；

根据SLW和SLR计算海面单位面积噪声源强度

表示为：

所述步骤5)为计算所需海域内不同方位和距离的单位源强海面噪声源到接收点的声压，根据声压进而计算获得所需位置的噪声级；

声压场建模采用柱坐标系，接收器位于圆柱体轴线上；在水平面内以接收阵为中心计算半径r范围内噪声源产生的噪声场；

计算不同方位和距离噪声源到达接收器的声压，将计算海域按照角度分为L个方位分区，再按距离将计算半径划分成J个距离，则计算区域内的海面被划分为与方位角θ_l＝lΔθ(l＝1,2,…,L)和水平距离r_j＝r₀+jΔr(j＝1,2,…,J)有关的多个扇环，每个扇环的面积为S_j＝r_jΔθΔr；

计算每个扇环内中心声源至接收点的声场，用p(z_r,j,l,z_s)表示位于水平距离r_j、方位θ_l、深度z_s处的声源在接收位置z_r处产生的声压；声压采用射线声传播理论计算，将噪声源位置s(j,l,z_s)和接收点位置s(0,0,z_r)输入所述三维海底模型和所述水文条件三维模型，计算其经过海底反射或水文折射等传播的矢量轨迹，出射角α₀对应的矢量轨迹定义为s，则对应声压为：

其中，i为复数单位，ω＝2πf，

将不同出射角度对应的声压p(s)加和即得p(z_r,j,l,z_s)；

计算频率为f的噪声级时，假设互不相关的海面噪声源随机均匀分布在海面以下四分之一波长处，即深度

的无限大平面上，c为声速c(x,y,z)的均值，单位面积的噪声源强度为

接收点z_r处的风关环境噪声场由所有海面噪声源对接收点的贡献叠加获得：

式中Ψ_j和Ψ_l是0～2π均匀分布的随机数，分别表示距离和方位的随机相位信息；噪声场空间分布特征用两点声场复共轭积的系综平均表示，称为噪声互谱密度，它代表了噪声场的空间特性，定义为：

式中*表示复共轭,<>号表示系综平均；

将上式等号右侧系综平均内展开：

假设来自不同扇环面的噪声是互不相关的，即l≠l'或j≠j'，则噪声互谱密度近似为：

接收点z_r的声压值通过射线计算模型获得，令z_r＝z'_r,对上式两边取对数获得接收深度处z_r的环境噪声强度级：

NL(z_r)＝10*log₁₀<|P_noise(z_r)|²>。

2.根据权利要求1所述的海洋环境噪声预报方法，其特征在于，所述J取值范围是1000至10000，所述L取值范围是72至720。

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