⒈水下聲學浮標

本文通過在現有中船710所“HM2000”多剖面浮標平臺基礎上集成聲學測量系統，研制出了一種具有海洋環境噪聲監測能力的“G-Argo”水下聲學浮標平臺，結構示意圖如圖1所示，主要由北斗天線、矢量水聽器、水聲信號處理機、浮標主體和浮標底座組成，其中水聲信號處理機主要完成矢量水聽器接收信號的采集、存儲和處理，由浮標主體控制其工作策略。圖2實線給出了水下聲學浮標聲學測量系統聲壓通道(本文所處理數據為聲學系統聲壓通道采集)自噪聲譜級，為了比較，圖中同時給出了Knudsen曲線在海況0級(SS0)、1級(SS1)、3級(SS0)和6級(SS6)條件下的海洋環境噪聲譜級，由圖2可以看出，水下聲學浮標聲學測量系統在整個頻率范圍內自噪聲譜級均小于0級海況海洋環境噪聲，因此聲學系統采集數據可有效評估海洋環境噪聲特性。圖3給出了“G-Argo”水下聲學浮標海洋環境噪聲監測流程圖，水下聲學浮標可多次上浮、下潛，具備原位坐底和定深漂流兩種工作模式，其海上連續工作時長則與海洋環境噪聲采樣策略和自動上浮通信周期有關，一般能夠實現海上連續觀測時長多達幾個月。2019年8月在南中國海某海區組織了8臺“G-Argo”水下聲學浮標試驗，試驗獲取了不同位置點為期1天的海洋環境噪聲數據，討論了附近航船噪聲對不同頻率海洋環境噪聲譜級的影響。

圖1  搭載聲學測量系統的水下聲學浮標示意圖

圖2  聲學系統自噪聲測試曲線

圖3  水下聲學浮標海洋環境噪聲監測流程圖

⒉試驗說明

2019年8月，由海軍潛艇學院主導，與天津大學和中船710所共同合作在南中國海某海區開展了一次大型水下無人平臺聲學試驗，此次試驗共包含8臺“G-Argo”水下聲學浮標和9臺水下聲學滑翔機，此次試驗的目的主要是驗證兩型水下移動平臺海洋環境觀測能力和對海上目標探測性能。圖4給出了試驗海區地理位置，其所在區域位于北緯16°59′至17°31′、東經110°37′至110°59′之間的一個60km×40km的矩形海域內，試驗區域海深約為1500m，離三亞港約160km。試驗期間海況較好且變化不大，試驗船風速儀測量海面風速約為2級，船載投棄式溫深儀測量得到的聲速剖面結果顯示，海深30m以內為均勻層，聲道軸在深度1000m附近。

圖4  水下聲學浮標試驗海區位置

試驗期間，設置“G-Argo”水下聲學浮標定漂深度為200m，容差±100m，聲學測量系統在浮標平臺深度大于100m后開始上電工作，在整個浮標定深漂流階段聲學測量系統全程開機采集水聲信號，并用船載AIS雷達設備實時接收試驗海區水面航船信息。

圖5  “G-Argo”浮標平臺和附近水面航船相對位置點

圖5給出了07:00–19:00時間段內1#、5#、7#水下聲學浮標和周圍水面航船相對位置態勢圖，由圖可以看出：“G-Argo-1#”水下聲學浮標在09:26–18:53時間段內沿119°方向漂流距離約6.0km，漂流速度平均約0.36kn；“G-Argo-5#”水下聲學浮標在09:03–18:54時間段內沿134°方向漂流距離約9.4km，漂流速度平均約0.47kn；“G-Argo-7#”水下聲學浮標在07:30–18:49時間段內沿140°方向漂流距離約7.6km，漂流速度平均約0.34kn。試驗期間有水面航船經過浮標位置點附近，其中：12:33–14:02時間段內，水面航船(MMSI：414350640，船長：42m，船寬：6m)以航速8.4kn航向301°經過試驗海區，在13:15時間點附近與“G-Argo-1#”和“G-Argo-5#”浮標距離較近，分別為2km和3km左右；16:48–20:00時間段內為設備回收階段，試驗船(電科一號，MMSI：412524240，船長：80m，船寬：18m)由停機待機區向浮標位置點航行，進行設備打撈；16:48–17:34時間段內，試驗船電科一號航速6.4kn航向277°；17:34–18:20時間段內，試驗船電科一號航速在1～6kn之間根據任務變向變速航行，在18:20時間點與“G-Argo-1#”浮標平臺距離較近約1.5km。

本文主要討論20Hz～3kHz頻率范圍內的海洋環境噪聲譜級隨時間的變化特性，以及附近航船噪聲對其的影響。原始信號每10min取10s數據后采用1/3倍頻程進行處理，測量數據的采樣率為20kHz，處理過程中將處理數據截取分成10段長度為1s的數據，每秒數據進行32768點快速傅里葉變換(FFT)，對10段數據分別進行計算并剔除野值后進行求和平均，該方法能夠很好地反映海洋環境噪聲頻譜特性。

圖6  G-Argo-1#結果

圖6(a)給出了“G-Argo-1#”浮標平臺定深漂流工作期間平臺深度隨時間變化情況，其中，在09:07和15:55兩個時間點由于聲學測量系統異常導致浮標平臺上浮。圖6(b)給出了20Hz、63Hz、100Hz、200Hz、400Hz、800Hz、1.6kHz和3.15kHz8個頻點中心處海洋環境噪聲譜級隨時間變化曲線，由圖也可以明顯看出，在13:15、17:34和18:20時間點附近由于水面航船影響而引起的譜級增大，海洋環境噪聲譜級在1.6kHz頻點處在以上3個時間點分別升高了約11dB、5dB和12dB，而水面航船對100Hz以下的低頻段海洋環境噪聲影響卻不顯著，其中在水面航船與浮標平臺距離較近的18:20時間點，由于水面航船影響環境噪聲譜級在100Hz頻點處升高了僅約5dB。

圖7給出了“G-Argo-1#”水下聲學浮標在12:30、13:15、15:55、16:50、17:34和18:206個時間點海洋環境噪聲譜級隨頻率變化曲線，表1則列出了以上6個時間點對應平臺深度上不同中心頻點1/3倍頻程譜級，由圖7和表1可以看出，浮標平臺附近水面航船對200Hz～1.6kHz頻段范圍內海洋環境噪聲譜級影響較顯著；除水面航船影響時間點外，在100Hz以上的高頻段，海洋環境噪聲譜級隨頻率變化趨勢與Knudsen曲線具有很好的一致性，約以?4～?7dB每倍頻程的規律下降，符合典型風關噪聲變化規律。

圖7  不同時刻海洋環境噪聲譜級頻率特性曲線

表1 不同時間不同深度海洋環境噪聲譜級表

圖8  G-Argo-5#結果

圖8(a)和圖8(b)分別給出了09:30–18:30時間段內“G-Argo-5#”水下聲學浮標平臺深度和8個頻點處海洋環境噪聲譜級隨時間變化情況，可以看出，“G-Argo-5#”浮標在下潛至最大下潛深度232m后浮標平臺開始慢慢上浮，最后浮標定深漂流工作階段平臺深度基本穩定在150m左右；在13:15時間點附近同樣可以看到由于水面航船(MMSI：414350640)噪聲影響而引起的海洋環境噪聲譜級在1.6kHz頻點處有約6dB的譜級升高，而相比“G-Argo-1#”浮標噪聲譜級在該時間點升高值小約5dB，這是由于“G-Argo-5#”浮標平臺距水面航船(MMSI：414350640)相對較遠造成的；而水面航船經過對3.15kHz頻點處的海洋環境噪聲譜級則幾乎沒有影響，這是由于高頻段傳播損失較大造成的。

圖9  G-Argo-7#結果

圖9(a)和圖9(b)則分別給出了11:00–18:30時間段內“G-Argo-7#”水下聲學浮標平臺深度和8個頻點處海洋環境噪聲譜級隨時間變化情況，由圖可以看出，“G-Argo-7#”浮標在整個定深漂流工作階段平臺深度基本穩定在130m左右，在12:31時間點附近由于受小型水面航船影響(該水面航船沒有AIS信號，通過雷達掃描得到)，海洋環境噪聲譜級在1.6kHz和3.15kHz頻點處各有約3dB的譜級升高，而在200Hz以下的低頻段海洋環境噪聲譜級則幾乎不受影響。由于“G-Argo-7#”浮標平臺與水面航船(MMSI：414350640、MMSI：412524240)距離較遠，因此在13:00–18:30時間段內63Hz～3.15kHz頻段范圍內海洋環境噪聲譜級基本不隨時間發生變化，而20Hz頻點處海洋環境噪聲譜級則在16:40和18:20兩個時間點附近分別有13dB和8dB的譜級升高，這可能是由于潮汐或波浪造成的靜水壓力而引起的。

本文利用2019年8月在南中國海某海區組織的多臺“G-Argo”水下聲學浮標試驗某一白天的數據，分析給出了20Hz～3.15kHz頻率范圍內的海洋環境噪聲譜級，試驗期間浮標平臺附近有水面航船經過，借此探討了附近水面航船對不同頻點海洋環境噪聲影響。結果表明，浮標平臺附近水面航船對200Hz～1.6kHz頻段范圍內海洋環境噪聲譜級影響較顯著，另外，除水面航船影響時間點外，在100Hz以上的高頻段，海洋環境噪聲譜級約以?4dB～?7dB每倍頻程的規律下降，符合典型風關噪聲變化規律。但是，本文只提供了南中國海某一特定海域一天范圍內的海洋環境噪聲數據，這不足以評估整個南中國海范圍內的海洋環境噪聲特性，因此需要進行更長時間和更大范圍內的海洋環境噪聲測量，以便獲取完整的海洋環境噪聲分布數據和分析環境噪聲統計特性變化規律。本文工作顯示，水下漂流移動平臺在海洋環境噪聲監測方面應用具有良好的廣闊前景。

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