海洋中充斥著由風(fēng)、雨、艦船、海洋生物以及工業(yè)等因素形成的海洋環(huán)境噪聲。處在海洋中的每個物體周圍都有噪聲，在用聲吶探測水下物體的過程中，無論是主動探測還是被動探測，都會受到海洋環(huán)境噪聲的干擾。但在海洋環(huán)境噪聲中也包含有各種有用信息——處于噪聲場中的物體的幾何結(jié)構(gòu)大小、空間位置及物理材料，對這些信息進行分析可以獲取關(guān)于海水、海底的詳細情況。目前國內(nèi)外關(guān)于海洋環(huán)境噪聲特性研究主要包括以下幾個方面：海洋環(huán)境噪聲獲取技術(shù)、建模、模型實驗校驗以及特性表征方法等。

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水下目標(biāo)探測的被動探測方式，探測系統(tǒng)本身不發(fā)射信號，不易被察覺，具有更強的隱蔽性。基于海洋環(huán)境噪聲的水下目標(biāo)探測越來越受到各國學(xué)者的重視。在介紹海洋環(huán)境噪聲的基礎(chǔ)上，概述了國內(nèi)外基于海洋環(huán)境噪聲聲成像的發(fā)展現(xiàn)狀，論述了海洋環(huán)境噪聲成像技術(shù)發(fā)展中依然存在的問題及未來發(fā)展趨勢。

⒈分類

海水中的環(huán)境噪聲是許多特性不同的噪聲源輻射噪聲的總和。海洋環(huán)境噪聲按頻率范圍、聲源、產(chǎn)生方式可以進行以下分類，如表1所示。

表1 海洋環(huán)境噪聲分類

按聲源的發(fā)聲頻率的不同進行分類，可以分為：極低頻噪聲、超低頻及甚低頻噪聲、高頻噪聲。

深海環(huán)境的噪聲源一般有：潮汐和波浪的壓力作用、地震擾動、海洋湍流、船舶噪聲、水面波浪和熱噪聲，淺海環(huán)境噪聲源有：行船及工業(yè)噪聲、風(fēng)成噪聲、生物噪聲。

⒉海洋環(huán)境噪聲獲取

海洋噪聲測量是對特定的海洋環(huán)境在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)進行噪聲測量，可以采用浮標(biāo)、潛標(biāo)和沉底等手段，短期監(jiān)測可以使用船只拖拽測量裝置進行，長期監(jiān)測則使用固定點位或者分布式光纖聲波傳感器。美國海軍利用聲監(jiān)測系統(tǒng)對海洋環(huán)境噪聲測量進行長期測量。印度的RAMJI等人利用浮標(biāo)系統(tǒng)測量分析淺海環(huán)境噪聲。國內(nèi)的學(xué)者在海洋環(huán)境噪聲獲取方面也進行了相關(guān)的研究。張毅等設(shè)計開發(fā)了一種超低功耗海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。姚壯等利用帶寬為20Hz～100kHz的水聽器測量系統(tǒng)對大連市周邊近岸海域5個典型站位的水下噪聲進行了測量，獲取各站點海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。

⒊海洋環(huán)境噪聲模型

在噪聲源研究的基礎(chǔ)上結(jié)合波導(dǎo)聲傳播特性發(fā)展起來的海洋環(huán)境噪聲模型包括噪聲源模型和聲傳播模型。

風(fēng)關(guān)噪聲是各海域普遍存在的頻率從幾百赫茲到幾萬赫茲的主要海洋環(huán)境噪聲源，風(fēng)關(guān)噪聲模型通常采取靜態(tài)噪聲源模型或動態(tài)噪聲源統(tǒng)計模型]。遠處航船噪聲是產(chǎn)生低頻海洋環(huán)境噪聲的主要噪聲源，艦船輻射噪聲源可以分為：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。吳國清、陶篤純、蔣國健等對船舶水下輻射噪聲信號建模進行了大量的研究工作。在艦船水下輻射噪聲信號建模的基礎(chǔ)上，孫軍平等用準周期隨機聲脈沖序列模型仿真進行了仿真研究。MA等人研究了小陣雨和一般降水過程中的水下噪聲。

20世紀60年代，CRON和SHERMAN開始環(huán)境噪聲理論模型研究，提出了適合深海情況傳播模型較為簡單的C/S模型。LIGGETT和JACOBSON采用波動理論研究了噪聲在半無限深海水中的傳播。CHAPMAN在考慮了海底反射的影響的基礎(chǔ)上擴展了C/S模型。PLAISANT采用射線理論描述了海洋表面噪聲源層到接收水聽器的聲傳播過程。KUPERMAN和INGENITO利用波動理論提出K/I模型。CAREY等將適合遠場條件的拋物方程傳播模型與海面噪聲源耦合起來，計算了水平非均勻海洋環(huán)境噪聲場的垂直分布。

BUCKINGHAM針對等聲速剖面、淺海“低損失”聲道中傳播的特殊情況，采用簡正波法得到噪聲場的垂直相關(guān)系數(shù)和陣增益。HARRISON對聲傳播作射線處理的基礎(chǔ)上提出CANARY模型。國內(nèi)學(xué)者張仁和等人發(fā)展了新的簡正波方法。

水下目標(biāo)檢測、識別和跟蹤是熱點研究領(lǐng)域，涉及范圍包括：瀕危水生物的跟蹤與保護、魚群定位、分類與跟蹤、水環(huán)境測深與建模、海床建模與繪圖、打撈與救助、海底管道探測、海底目標(biāo)定位與識別，以及軍事上水雷、潛艇、蛙人、水下航行器等水下目標(biāo)物的探測、識別與跟蹤等。水下目標(biāo)探測對于維護國家主權(quán)、保障國家海洋環(huán)境安全、促進海洋探索與開發(fā)至關(guān)重要。

水下聲學(xué)測量具有距離遠、效率高的特點。應(yīng)用聲吶檢測水下目標(biāo)是目前最常用的檢測手段，聲吶設(shè)備包括：前視聲吶、側(cè)掃聲吶和合成孔徑聲吶。水下目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，通過接收目標(biāo)的輻射噪聲或散射聲波對目標(biāo)進行分類、識別和定位，長基線低頻被動聲吶可以監(jiān)視諸如潛艇之類的大目標(biāo)，在航行過程中產(chǎn)生較大的輻射噪聲。聲波在水下可以遠距離傳播，目標(biāo)識別系統(tǒng)通過聲吶被動接收目標(biāo)的輻射噪聲對目標(biāo)進行特征分析，聲矢量傳感器可用于水下弱目標(biāo)識別與檢測。

在傳統(tǒng)的聲吶系統(tǒng)中，海洋環(huán)境噪聲掩蓋了目標(biāo)聲音的特征，從而阻礙了目標(biāo)信號的檢測。但與此同時，海洋環(huán)境噪聲中也攜帶了豐富的海洋環(huán)境信息，利用海洋環(huán)境噪聲可以實現(xiàn)水下目標(biāo)聲成像。

FLATTE′S和MUNK等在《簡式防務(wù)周刊》首次探索了將海洋環(huán)境噪聲作為聲學(xué)“照明”源形成水下物體圖像的可能性，海洋環(huán)境噪聲在水下目標(biāo)存在時發(fā)生改變來判斷目標(biāo)的存在。20世紀80年代，BUCKINGHAM提出了聲學(xué)照明的想法，用海洋噪聲充當(dāng)“光源”，將噪聲“照射”成像比擬大氣中日光照相，對海洋中的目標(biāo)進行探測和成像。BUCKINGHAM針對海洋環(huán)境噪聲，進行水下目標(biāo)散射聲場的計算。

POTTER將海洋環(huán)境噪聲場用作照明裝置，建立靜止物體被動成像理論，并給出仿真的圖像。日本學(xué)者KAZUYOSHI等采用基于時域有限差分分析的水聲透鏡系統(tǒng)進行環(huán)境噪聲成像研究。國內(nèi)一些學(xué)者也對基于海洋環(huán)境噪聲目標(biāo)探測進行了研究。曾娟等提出一種利用環(huán)境噪聲作為照明聲源的目標(biāo)探測方法，在理論上給出了圓形壓釋目標(biāo)被環(huán)境噪聲照射的噪聲場。林建恒等采用散射理論方法研究了水下目標(biāo)對于海洋環(huán)境噪聲的散射擾動特性。蔣國健等提出了通過聲陣聚焦接收、增加積分時間以及頻域處置等方式增強水下目標(biāo)聲學(xué)可見度。李小雷等基于環(huán)境噪聲互相關(guān)和環(huán)境噪聲自相關(guān)理論，利用海浪噪聲進行安靜目標(biāo)探測。孟昭然研究了雨致噪聲源水下目標(biāo)類光聲成像。

在理論研究的基礎(chǔ)上，各國學(xué)者進行了大量的實驗研究。1991年在南加州的斯克里普斯碼頭BUCKINGHAM等進行了第1次聲照明實驗，用于聚焦的聲學(xué)探測器是壓電水聽器位于焦點處且直徑為1.2m的拋物線盤，在12m的范圍內(nèi)，海洋環(huán)境噪聲場中的矩形目標(biāo)存在與否可以進行探測，實驗證實了在5kHz～50kHz的頻率范圍內(nèi)確實可見僅由海洋環(huán)境噪聲照亮的物體，目標(biāo)可以改變噪聲場。1994年，美國的斯克里普斯海洋學(xué)研究所成功研制了世界第1個環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)ADONIS，系統(tǒng)包含直徑3m的球面反射器，130個水聽器呈橢圓形陣列布置在焦面處，工作頻率在8kHz～80kHz。該系統(tǒng)于1994年8月（首次）和1995年10–11月被使用在南加州進行的環(huán)境噪聲成像實驗，實驗中的成像目標(biāo)包括：面積為1m×1m的方形平面板，直徑0.5m、高0.76m、壁厚0.5cm的裝有濕沙、海水和復(fù)合泡沫塑料的圓柱形聚乙烯桶，以及直徑0.7cm壁厚1.5cm的中空鈦球，目標(biāo)范圍在20～40m之間，在主要由鼓蝦產(chǎn)生的海洋環(huán)境噪聲場中，ADONIS系統(tǒng)成功地創(chuàng)建了目標(biāo)空間的彩色圖像。雖然從ADONIS系統(tǒng)中選擇的數(shù)據(jù)成功地用于40m范圍內(nèi)水下物體成像，但是其它大部分數(shù)據(jù)沒有產(chǎn)生可識別的圖像。這是由于環(huán)境噪聲統(tǒng)計上的波動，有時有利于產(chǎn)生聲學(xué)照明，而其他時間不利于產(chǎn)生聲學(xué)照明。

由于ADONIS系統(tǒng)的局限性——接收波束只記錄能量估計而沒有相位信息。1998年新加坡國立大學(xué)聲學(xué)研究實驗室建立了第2代的環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)ROMANIS，該系統(tǒng)由508個壓力傳感器形成一個直徑約為1.3m的二維平面陣列，工作頻率25kHz～85kHz。2003年2月首次在海上部署該系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)在真實海水環(huán)境中的功能，并對70m范圍內(nèi)的水下物體噪聲成像，同時研究了部署位置的高頻環(huán)境噪聲特性。該聲學(xué)實驗室的研究人員應(yīng)用ROMANIS系統(tǒng)在新加坡進行現(xiàn)場實驗，在采集環(huán)境噪聲的聲壓記錄的基礎(chǔ)上進行了一系列理論和實驗研究。在2009年，為了更加高效可靠操作ROMANIS，該系統(tǒng)的電子器件和軟件進行了翻新。

澳大利亞航空與海洋研究室研制了DSTO成像陣列，含有256個水聽器單元的2m×2m孔徑隨機稀疏相控陣，該系統(tǒng)由4個含64個單元1m×1m相同的子陣模塊化組成。日本國防學(xué)院的KZAYOSHIMORI等基于非球面鏡頭研制了環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)即ANI系統(tǒng)，分別于2010年11月、2014年11月、2016年11月在內(nèi)浦灣進行了3次海上實驗。2010年的第1次海上實驗采用的是第1個ANI原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過安裝一維水聽器陣列于透鏡的像面以測量其方向分辨率，在將頻帶高于60kHz歸類于目標(biāo)回波的情況下，證實了存在目標(biāo)物體的目標(biāo)方向上的功率譜密度水平要大于不存在目標(biāo)物體的情況。在海洋背景噪聲源主要由鼓蝦產(chǎn)生的情況下，成功地探測到了水下的無聲目標(biāo)。為了評估第2個原型系統(tǒng)，在2014年進行了第2次海上實驗，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，通過環(huán)境噪聲將外形為平板狀和球體的無聲目標(biāo)的圖像成功呈現(xiàn)。2016年的第3次海洋實驗，通過環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)成功地探測出頻率響應(yīng)峰值為80kHz和160kHz的2個目標(biāo)。不同環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)的比較見表2。

表2 環(huán)境噪聲成像系統(tǒng)

海洋環(huán)境噪聲是海洋中永恒存在的聲場。相較于國外的研究，我國在利用海洋環(huán)境噪聲進行水下探測的研究還處于初步階段。未來可以針對水下物體對海洋環(huán)境噪聲頻散信息的影響，進一步發(fā)展基于低頻背景噪聲的水下目標(biāo)探測方法，提高探測距離和信噪比。