海洋矢量噪声场试验研究

　　海洋环境噪声是声呐系统工作时背景噪声的重要组成部分. 同时对其的评估也可用来反演海洋自身的特征参数，因此，海洋环境噪声的研究具有重要的理论与实际意义. 声场兼具标量场与矢量场的特性. 但在实际声呐系统设计与海洋声场研究中，对声压场的关注却远多于矢量场. 声矢量传感器一般由声压传感器和振速传感器复合而成，可以共点、同步的测量声场空间一点处的声压和质点振速的各正交分量[1]. 随着声矢量传感器技术的成熟，声场的矢量特性研究受到了各国学者越来越多的关注[2-8].俄罗斯远东科学院的A.V.Burenin 等人2007年在日本海大陆架附近完成了基于矢量传感器的海洋声层析试验，并给出了研究结果[9]. 杨德森教授提出了矢量噪声场的测量模型并进行了诸多针对水下矢量声环境的外场试验研究[10-12].本文将从基本概念引出，给出矢量噪声场测量的原理.在试验分析部分，将结合近岸海试结果，配合试验海域的气象海洋信息，对有关结论做以验证和分析.

　　1 矢量噪声场测量原理

　　1.1 复声强与DOA估计

　　在各向同性且均匀无限大理想介质中，对于谐和声波而言，声矢量传感器的声压测量量p(r，t)与振速测量量v(r，t)可分别表示为

　　设Φ∈[0，2π)为入射波的水平方位角; θ∈[0，π)为入射波与z轴正半轴的夹角，则式(2)可在笛卡尔坐标系下分解为

　　区别于平均声强器，复声强器在多目标辐射不同的线谱，或者不完全重合的连续噪声谱的情况下，对多目标的分辨亦有出色表现.

　　式中: ω表示频率; *表示复共轭运算.p(r，ω)与v(r，ω)分别为p( r，t)与v(r，t)的Fourier变换.将式(4)写为下面形式:

　　式中: Ia(r，ω)称为有功声强; Ir(r，ω)称为无功声强.对于谐和信号，含频率项的狄拉克函数不影响问题的讨论，故式(1)可写为

　　将式(2)、(6)进行傅氏变换并代入式(5)化简整理得

　　由式(7)可以看出，有功声强与波阵面的法线方向一致，有功声强表示的是声场向远处传播的能量. 而式(8)给出的无功声强方向与声压幅度平方的梯度方向一致，表征干扰能量的大小. 由于有功声强是描述声场向远处传播的能量，故利用有功声强在各坐标轴上的投影Iax、Iay与Iaz可以无模糊的进行DOA估计，即

　　式(9)、(10)给出复声强器全空间无模糊DOA估计的原理，这也是矢量传感器较之于声压传感器的优势所在.

　　1.2 相关与谱处理

　　满足中心极限定理时，声压量的空间相关函数Rp2(τ，r1，r2)可恰当而完整的描述标量场p(t，r).引入声场矢量观测量，声压振速互相关函数为