Page 97 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 汪恺等： 利用海洋环境噪声估计海流流速 265

反方向，阵列 B 到阵列 A 的格林函数也可以同样的 海洋噪声接收信号，具体测量时间如表1 所示，对应
形式被提取出来： 的部分水文数据如图2所示。

G BA (t) ≈ −dC BA (t)/dt, (3) 表 1 噪声信号接收时间
Table 1 Noise signal receiving time
其中，G BA (t) 相当于未做波束形成时 G AB (t) 的时
间负半轴，它们间的关系是G AB (t) = −G BA (−t)。 序号 日期 持续时间/h

声线到达时间可以依据正反两个方向的格林 1 2017/12/07, 03:00–12/09, 03:00 48
函数得到。在对海洋进行分层后，可以将声线轨迹 2 2017/12/21, 11:00–12/22, 01:00 14
划分为 N 层，图1(b) 给出了将海洋划分为 3 层的例 3 2018/04/24, 12:35–04/25, 15:00 26.5
子。此时正反两个方向上第 i 条本征声线的到达时 4 2018/05/07, 12:25–05/10, 12:30 72
间可以通过下式计算 [6] :
0
N
∑
AB(BA)
t = r i,j /(c j ± u j ) + t err ,
i
20
j=1
i = 1, 2, · · · , M, (4) 40
ധ؇/m
其中，c j 和 u j 分别是第 j 层上距离平均声速和海流 60
流速，r i,j 代表第 i 条本征声线在第 j 段路径上的传
80
播路程，t err 是两个接收器之间的时钟误差。由于
c j ≫ u j ，忽略小量 u j 后，两个阵列间的声线传播时 1520 1525 1530 1535 1540 1545
ല෎/(mSs -1 )
间差可以表示为
N 图 2 温度链实际测量的声速剖面
∑
2
∆t i = t AB − t BA = −2 r i,j u j /c + 2t err ,
i i j Fig. 2 Sound speed profiles measured by temper-
j=1 ature chain
i = 1, 2, · · · , M, (5)
2.2 数据处理
其中，t err 可以通过从所有声线中减去特定的声线 将每个阵元接收的海洋噪声信号按每 2 h 分为
传播时间差来消除，通过求解式 (5)，即可得到相关 一个时间段后，按10 s 一拍对各段时域信号进一步
海域的各层海流流速。如果对海洋不进行分层的话， 划分。在快速傅里叶变换后，对每个快拍的频域信
这里求解式(5)将退化为 号做40∼350 Hz的带宽滤波。对滤波后的频域信号

2
u 1 = −(∆t i − 2t err )c /2r i,1 . (6) 做波束形成来加快能量累积，提升信噪比，波束形成
1
的参考声速设置为1530 m/s。对各快拍的波束输出
2 实验 累积求和后，可以在 2 h 时间上平均得到累积波束
输出。因此，2 h时间累积的噪声互相关函数可以通
2.1 实验描述 过式(1)计算得到。接着通过式(2)∼(3)端射方向上

在海南岛东南近海进行了一次声层析实验，实 的经验格林函数即可被提取出来。
验环境如图1(a) 所示，在海深97 m的平坦海底布放 由于两个水平线阵在物理上相互连接，因此两
两个连接的水平线阵，两者大致平行，相距 3529 m。 个阵列的水听器记录的噪声信号都是同步且连续
并且每个阵列有 15个等间距间隔 6 m的阵元，实际 的，因此式 (5)∼(6) 中 t err 可以忽略不计。由于声线
阵列长度大约为84 m。水听器以5000 Hz的采样率 传播的多途效应，没有经过海面反射的本征声线
同步连续不断地记录宽带的海洋环境噪声信号。同 以及前两次海面反射波都混在了第一个信号包络
时在实验期间，一条包含38个温深仪的温度链被竖 中 [14] 。第一个信号包络中各组本征声线难以辨别
直布放在两个水平阵列的中央，用以记录水体大约 区分，而后续包络的本征声线都穿过了水体所有深
2.5∼95.0 m 深度范围的水文数据。分别使用了 4 段 度，因此难以对海洋进行分层。第二个信号包络对