海洋技术▏“黑珍珠”波浪滑翔器青岛近海环境噪声观测应用
2018年8月28日，“黑珍珠”波浪滑翔器技术研发团队（TOMOT）与国家深海基地管理中心杨志国副研究员等人共同开展了基于波浪滑翔器的青岛近海海洋环境噪声观测应用。“黑珍珠”小型波浪滑翔器挂载自容式水听器，测量波浪滑翔器本体噪声谱以及海洋环境噪声，本次观测应用成功获取了青岛近岸“千里岩”岛海区的大量声学观测数据。本报告分析了波浪滑翔器本体噪声对海洋环境噪声测量的影响，验证波浪滑翔器用于海洋背景噪声观测的可行性。以下是本报告对观测过程、观测数据以及观测结论的呈现，感谢广大科研人员针对该类观测应用提出宝贵建议！
1. 布放回收过程
1.1 布放准备
布放设备为“黑珍珠”号小型波浪滑翔器，其三维模型如图1所示，渔船上的实拍照片见图2。
图1 “黑珍珠”小型波浪滑翔器三维模型图
图2 渔船上的“黑珍珠”小型波浪滑翔器
表1 搭载水听器的型号与指标参数
名称 | 型号 | 参数 | 厂家 |
水听器 | Lopas-L | 采样通道：1 采样率：8.192kHz~128kHz 分辨率：24Bit 压力精度：≤0.025%FS（10-40℃） 整机功耗：工作模式150mW,休眠模式3mW | 杭州锐讯科技有限公司 |
图3 水听器安装在浮漂底部供波浪滑翔器拖曳
1.2 设备布放
“黑珍珠”小型波浪滑翔器观测海区位于青岛雕龙嘴以东60公里附近的千里岩岛海域，具体位置如图4所示。
图4 “黑珍珠”小型波浪滑翔器的布放位置
2018年8月28日上午6点30分，租用渔船从崂山码头出发，行驶大约3小时到达35海里外的目标海域，经纬度为（121.503194°，36.287450°），在该坐标处布放“黑珍珠”小型波浪滑翔器。波浪滑翔器的布放现场照片如图5所示。
图5 “黑珍珠”小型波浪滑翔器布放后
布放完成后，通过岸基监控系统存储铱星回传的数据分析平台的运行状态及其搭载传感器后的可行性。通过铱星回传的数据包括：电子罗盘数据、温盐传感器数据等。
图6 “黑珍珠”小型波浪滑翔器布放后
水听器安装采用波浪滑翔器母船拖曳的形式，拖曳体结构如图6所示。拖曳过程中自容式水听器连续工作，采样率为81.92kHz。本次观测过程中自容式水听器位于水面附近，噪声较大，选取时间窗口从2018年8月29日10:00到2018年8月29日18:00的较为良好的数据进行数据分析。
1.3 系统回收
2018年8月29日18:31，“黑珍珠”小型波浪滑翔器在千里岩东北侧（121.4317°E，36.2823°N））完成观测任务。
2. 平台状态数据
2018年8月28日8时2分至2018年8 月29日12时2分共28小时波浪滑翔器的航行轨迹如图7所示，起始位置为（120.6596°E，36.34248°N），结束位置为（121.4317°E，36.2823°N）。
此次观测过程共计28小时累计航程为81.7365 km，如图8所示，累计航程的变化趋势大致可以分为三段，其中，8月28日20时之前在码头，20时至3时随船航行，3时之后为滑翔器自主航行，航行距离约为10km。
图7 海试全程航迹图
图8 海试全程累计航程图
3.声学数据分析
3.1 本体噪声
本次观测过程中由于水深较浅，为避免设备触底，自容式水听器位于波浪滑翔器后5米，深度约5米的位置。本次观测地点选择为青岛近海，再者水听器与波浪滑翔器之间没有采用多级隔离，使得自容式水听器噪声相对较大。在波浪滑翔器的拖动下，固定水听器的支撑减震弹簧发生振动进而产生干扰信号，干扰信号如图9和图10所示。
图9 水流冲击弹簧引起的振动时域信号
图10 水流冲击弹簧振动的频域特征
初步分析可能是由于脐带缆拉紧发出的声音，如图11所示。
图11 水流冲击弹簧振动的频域特征
3.2船舶噪声
小型渔船船舶发动机噪声
图12 渔船发动机噪声时域信号
图13 渔船发动机噪声谱特征
3.3生物噪声
类似虾爆信号，信号带宽很宽，主要能量集中在2k~20kHz。
图14 虾爆信号时域信号
图15 虾爆信号频域特征
4.观测总结
（1）本次观测过程中，波浪滑翔器自身状态稳定，能够达到观测要求。本次观测过程时长28小时，累积航程为81.7365km，“黑珍珠”小型波浪滑翔器自主航行约10km；海试全程均速0.4149m/s，航行速度稳定；仪器各参数显示波浪滑翔器的总体性能良好。
（2）观测过程中自容式水听器工作稳定，获取了大量声学信号，通过声学信号分析可以了解了波浪滑翔器本体对声学平台的影响；在观测期间捕获到了疑似江豚信号、虾类信号等生物声信号。
本次观测应用验证了波浪滑翔器搭载声学观测系统进行海洋环境噪声观测的可行性，接下来要做的是尽量减小波浪滑翔器本体噪声对水听器的影响。
【作者简介】孙秀军，中国海洋大学教授。2011年博士毕业于天津大学机械工程学院，美国佐治亚理工学院电气与计算机工程专业联合培养博士。自2012年至今，作为项目/课题负责人主持国家和省部级波浪滑翔器（Wave Glider）技术相关项目/课题7项。2015年获得天津市技术发明一等奖1项，2016年获得国家技术发明二等奖1项。
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