2.3.1 海洋环境噪声的影响
海洋环境噪声复杂多变,与海域位置、水听器的位置、近区和远区的气象条件及频率有关。浅海和深海都存在背景噪声对水声设备探测潜艇的干扰,其最大的区别是背景噪声的强度,以及海洋生物和海面波动造成的杂波干扰[72]。在海洋中有许多噪声源,包括潮汐、湍流、海面波浪风成噪声、生物噪声、航船及工业噪声等。噪声的性质与噪声源有密切关系,在不同的时间、深度和频段有不同的噪声源。通常用环境噪声级描述环境噪声。水声信道的噪声是准高斯分布的。不同的声源有不同的带宽和噪声级,且随时间和空间变化。在20 Hz以下,主要噪声源为海洋湍流、地震和潮汐;20～500 Hz,主要为交通噪声;500 Hz～50 kHz,主要噪声源为海浪及其破碎的浪花;在50 kHz以上,主要为海水分子运动的热噪声[63]。与深海环境噪声比较确定的情形不同,浅海环境噪声比较强。在浅海信道,生物活动和沿岸工业也是信道的噪声源。而且,噪声随着时间、地理位置、行船密度和天气的变化产生显著变化。因此,浅海信道是时变、空变严重的噪声信道。对于远程水声通信系统,频率选择一般集中在1～10 kHz之间。海洋环境噪声的信噪比(SNR)为
式中,SL——声源级;
TL——传播损失;
NL——噪声级;
DT——检测阈。
声源级SL是指沿声轴距发射换能等效中心1m处,换能器所产生的声压级或声强级,单位为dB,其计算公式为
式中,r——计量点到发送节点处的等效中心距离,距离发送节点1m处的声强级即r=1 m;
P(r)——节点最大发射功率。
传播损失TL是指距声源1m处的声强级与传递到目标所在位置的声强级之差,单位为dB,TL的计算采用工程上常用的公式:
式中,f——频率,Hz;
rt——过度距离,m,
式中,Ds——声道轴与信道上边界的距离,m;
Dr——声道轴与信道下边界的距离,m;
cmax——信道中的最大声速,m/s;
Δc——信道中最大声速与最小声速的差值,m/s;
Zs——发送节点与信道上边界的距离,m。
噪声级NL是指接收水听器输入的噪声声强级(单位为dB),采用湍流、船舶噪声、海浪及热噪声4个噪声源进行仿真建模,假设f是频率(单位为kHz),w是风速(单位为m/s),D是船舶活动因子,根据活动频繁程度由低到高在0～1之间取值,则噪声谱级计算如下:
式中,
检测阈DT是指在水听器输出端完成特定职能所需要的最小信号和干扰功率级差,单位为dB。
基于海洋环境噪声级NL与频率f和海况的影响经验公式[9]进行仿真,分析海洋环境噪声对主被动声呐浮标作用距离的影响,如图2-1、图2-2所示。由图可知,海洋环境对主被动声呐浮标作用距离的影响很大。因此,能否充分利用海洋环境条件,关系到搜潜设备能否及时、有效地发现潜艇目标。
图2-1 海洋环境噪声级与主动声呐浮标作用距离的关系