4. 海洋环境噪声与混响

水声通信系统面对的“干扰”并不只有多径和衰落，还有两类始终存在的背景：海洋环境噪声与混响。前者是通信接收机带宽内持续存在的随机声场，后者是发射信号与海面、海底、水体散射体相互作用后返回的自身能量。二者机理不同、统计特性不同，对通信的影响方式也不同，必须分开建模、分别应对。

一、海洋环境噪声的来源与功率谱

海洋环境噪声按来源可分为三类。第一类是风浪噪声：海面风生波浪、破碎浪花和气泡群辐射宽带声，是数十赫兹到数十千赫兹频段的主要噪声源，其强度随风速（海况等级）显著上升。第二类是航运噪声：远处商船的螺旋桨空化与机械振动，集中在低频（约 10～500 Hz），具有明显的连续谱和螺旋桨叶片速率线谱。第三类是生物噪声：鼓虾的爆裂声、鲸豚的哨声与click、鱼类发声等，多为短时脉冲或窄带成分，时空分布高度不均匀。

工程上常用经验谱级描述噪声。以经典的 Wenz 谱为例，在 1 kHz 附近，风浪噪声谱级大致在 40～60 dB（re 1 μPa²/Hz）量级，风速每增大一档可上升数分贝；低频段则由航运噪声主导，谱级随频率下降呈约 −15～−20 dB/十倍频程的斜率。一个便于教学使用的近似表达式为

NL(f) ≈ NL(1kHz) − 17·log10(f/1000)   （f 以 Hz 计，适用于约 100 Hz～10 kHz 的风浪主导段）

需要强调：上式为示例性近似，实际取值应结合海区、风速、航运密度查表或实测。噪声在空间上通常近似各向同性（风浪噪声在中高频段尤其如此），这决定了阵列处理时噪声协方差矩阵可近似为对角阵，与具有强方向性的混响形成鲜明对比。

二、混响的形成机理与三类混响

混响的本质是发射信号被随机散射体二次辐射回接收点。设发射脉冲宽度为 τ，则距接收点距离 r 处的散射体回波在 t = 2r/c 时刻到达，混响强度随时间的衰减规律近似为

RL(t) = SL − 40·log10(c·t/2) + S_b + 10·log10(Ψ)   （球面扩展，S_b 为散射强度，Ψ 为等效波束立体角）

按散射体所在位置分为三类：

• 体积混响：由水体中的气泡、浮游生物、鱼群、悬浮颗粒等散射形成，散射强度用 S_v（dB/m）描述，回波随 t 按 40·log10(t) 衰减，是深海、中层通信的主要混响。
• 海面混响：由粗糙海面（风生波浪、气泡层）散射形成，散射强度 S_s 与风速、掠射角强相关，在近垂直入射时较强，是浅海水平通信的常见干扰。
• 海底混响：由海底沉积物界面粗糙度与体积不均匀性散射形成，散射强度 S_b 取决于底质类型（泥、砂、岩），在浅海、近底通信中往往占主导。

混响的统计特性可用瑞利包络近似描述：当散射体数量足够多且相位随机时，混响瞬时幅度服从瑞利分布，相位均匀分布；若存在强散射体（如海面气泡团、大块岩石），则出现K 分布或重尾特性，表现为“尖峰”干扰。混响的功率谱与发射信号谱形基本一致，因此无法通过频域滤波去除，只能靠波形设计、空域滤波或时间门控抑制。

三、噪声与混响对通信系统的影响

环境噪声主要决定接收信噪比的下限。在窄带通信中，若信号功率为 P_s、噪声谱级为 NL、带宽为 B，则接收信噪比可写为 SNR = P_s − NL − 10·log10(B)。这意味着：增大带宽会同时抬高噪声功率，因此扩频增益必须与带宽扩展相匹配；低频段航运噪声强，应优先选择中高频载波或采用自适应功率控制。

混响的影响则更具“自干扰”性质。由于混响与发射信号同源、同谱，它会在时间上展宽信号，造成码间干扰；在浅海水平通信中，海底混响的拖尾可达数十毫秒，足以覆盖多个符号周期。工程上常采取三类措施：一是时间门控，在混响衰减到可接受电平后再开启接收窗；二是波形设计，采用具有低距离旁瓣的扩频或 OFDM 信号，并在接收端做匹配滤波与均衡；三是空域滤波，利用混响的方向性（海面、海底混响来自特定掠射角）与波束形成抑制。

实际系统设计中，应把噪声与混响纳入链路预算：先按海区与频段查得 NL 与 RL 的典型值，再结合发射声源级 SL、传播损失 TL 与检测阈 DT，估算可用通信距离与误码率。只有把这两类干扰分别量化，才能合理选择载频、带宽、发射功率与接收处理策略，使水声通信链路在真实海洋环境中稳定工作。