海底地震波本指由地震活动引起海底介质的振动，产生沿海底传播的波，并由地震台记录到，其具有幅度大、持续时间久、破坏力强的特点^[1-2]。同样在海洋地震勘探中，也记录到了这样一种波，其特点是频率较低(5~30 Hz)、相速度较小(400~1 000 m/s)、横向衰减慢，但离开海底就迅速衰减，通常作为海洋地震勘探的干扰波来处理^[3-4]。而航行船舶的振动和辐射噪声经海水介质传播到海底，也会激发出海底地震波，只是幅度相对较小，被称为船舶海底地震波，简称为船舶地震波或海底地震波^[5-10]。船舶地震波包含着船舶目标的特征信息，为探测、跟踪和识别船舶目标提供了新的途径，可作为水中声波的有效补充，具有广泛的应用前景；并且其已在美、俄水雷的引信中得到应用，与声引信、磁引信组成的复合引信提高了水雷的可靠性^[11]，而在其他方面的应用还未曾报道。

国内对海底地震波的研究起步较晚，大都以理论研究为主^[12-13]。文献[12]在频域快速场模型的基础上进行逆傅里叶变换，能得到不同浅海环境参数下的海底地震波的时域波形。文献[13]则从数值计算的角度，利用三维交错网格有限差分法对海底地震波的传播过程进行模拟，得到的波场快照图能比较直观地观察海底地震波的波动成分。但上述两篇文献采用的震源均为余弦包络脉冲子波，不能真实反映船舶震源的特征；同时，这些文献都是在理想环境假设下得出的相应解析解或数值解，与实际复杂环境下的情况差别很大，并且都没有开展相应的试验进行验证。文献[14-16]中是少有已公开报道的关于船舶地震波的试验研究，该试验中的地震波测量设备布放在岸上，接收信号易受到岸上人员走动和车辆行驶的影响，且海底地震波传播到岸上会发生波型转换，从而会引起信号幅值衰减等问题。

为研究船舶激发的海底地震波特性，本文设计并开展了浅海海底地震波的接收试验，将垂直轴向压电式振动传感器(或称拾振器)布放在海底，同时为了对比分析海底地震波信号和水声信号的特性，试验中在拾振器上方布置水听器接收声波信号。

1 试验设备及环境 1.1 试验设备

船舶海底地震波试验中使用的设备主要有水听器、拾振器、电缆、数据记录系统等。水听器和拾振器通过电缆接入数据记录系统，对信号连续采样，采样频率为1 000 Hz。其中拾振器布放在海底，水听器悬浮在拾振器上方海水中。

1.2 设备测试及分析

船舶海底地震波接收试验前，首先在码头上测试水听器和拾振器的性能，码头处水深约为3 m，离岸边约15 m。水听器和拾振器分别沿着码头边布放在海水中和海底，其中水听器在水深2 m处。在码头上用锤子连续敲击地面5次，水听器和拾振器的接收信号如图 1所示。由图 1(a)可知，水听器能接收到敲击信号，但受海水波浪的影响，水听器在海水中晃动，接收信号中叠加有因海水扰动而引起的低频信号；因此对水声信号进行6 Hz高通滤波，结果见图 1(b)，晃动影响得以消除(下文若不加说明，水声信号都经过6 Hz的高通滤波处理)。水声信号传播到海底，引起海底介质的振动，拾振器同样能接收到敲击信号，见图 1(c)，可见海底地震波信号不受海水波浪扰动的影响。

同样在距离岸边约20 m的位置敲击地面10次，水听器和拾振器的接收信号如图 2所示。可见拾振器能明显地接收到岸上的敲击信号，信噪比很大；但水听器接收到的敲击信号则相对较弱，敲击信号基本上被淹没在背景噪声中，信噪比较小，说明岸上地震波信号耦合到水中的水声信号较小，根据互易性原理，则一定程度上说明了近岸布放拾振器接收船舶地震波时，接收信号的信噪比较低。

1.3 设备测试

船舶地震波试验是在港口开展的，试验概况如图 3所示。试验船抛锚在防浪堤的内侧，即图 3中五角星标注的位置，其距离海岛岸边的最近距离约1 km，距防浪堤的垂直距离约800 m，其中防浪堤的长度约2 km；虚线圆内为试验设备的布局情况，此处的海水深度约为15 m；其中防浪堤是石块用水泥浇筑而成；水听器和拾振器则分别顺着船舷分别布放在水中和海底，水听器悬浮在拾振器上方约8 m处。虚线长方形标注的锚地距离试验船约7.5 km，货船1和货船2先后从锚地出发按着图 3中标注的航线开往港口；进入港口后，货船降低功率，并时进时停缓慢行驶；其中货船1和货船2均为10万吨级货船。

2 海试试验结果及分析

试验船抛锚稳定后，连接设备并调试，确定设备工作稳定后对船舶地震波连续接收并存储，接收时长为1 h，拾振器接收信号的时域波形和时频分布如图 4所示。

由图 4(a)可见，接收信号的时域波形幅度在360、1 400、2 360、2 450、3 400 s等处有较大的突变，分别对应着不同的海面船只航行情况。其中0~360 s时间段内港口海面比较平静，没有船只航行；360 s后港口海面有少量渔船航行；货船1约在1 400 s时启动，从锚地驶向港口，约在2 170 s降低功率，2 360 s时再次降低功率后，前后各一艘拖船一拉一推缓慢进入港口；而货船2约在2 450 s时启动，从锚地驶向港口，约在3 400 s时降低功率后，缓慢进入港口。由图 4(b)可知，当海面有船只时，海底地震波信号的频率成分比较稳定，渔船航行激发的海底地震波频率主要集中在5~20 Hz；货船航行激发的海底地震波频率主要集中在5~30 Hz，并且在20 Hz附近能量最强。由于图 4显示的拾振器信号时间跨度较长，且信号幅度前后变化较大，为显示海底地震波更多的细节信息，下面对拾振器接收信号按时间分段处理并显示。

2.1 时间段0~1 380 s内数据分析

图 5显示了0~1 380 s内拾振器接收信号的时域波形和时频分布。

由图 5可见，时域波形图显示当海面有渔船航行时，信号幅度约为背景信号幅度的2倍，并且随着渔船的运动出现起伏变化。时频分布显示该时间段内海底地震波的频率成分主要在0~20 Hz，并且其时频特征很稳定；同时100~400 Hz频段内出现了干涉条纹(5个椭圆内)，该干涉条纹是由水声信号的多径效应引起的，说明拾振器也接收到了水声信号，并且其频率成分主要在100~400 Hz；由干涉条纹的形状可知5艘渔船都是先靠近再远离拾振器，与渔船从码头驶离港口的实际情况一致。根据上述分析，可按频段将拾振器接收信号中的水声信号和海底地震波信号进行分离，即分别对接收信号进行100 Hz高通滤波和100 Hz低通滤波，则得到水声信号和海底地震波信号的时域波形和时频分布分别如图 6、7所示。

由图 6可见，水声信号和地震波信号的时域波形幅度均随着渔船的靠近而变大，随着渔船的远离而变小；且相比于水声信号，海底地震波的幅度起伏变化相对比较平缓。图 7(a)显示800~1 000 s内没有干涉条纹，说明该时间段内渔船距离拾振器相对较远；并且图 6(a)显示该时段内的水声信号幅度明显减小，与背景信号幅度相当，而图 6(b)显示相比于渔船较近时(360~800 s、1 000~1 380 s)，该时间段内的海底地震波信号幅度只是稍微减小，明显高于背景信号幅度，同时图 7(b)中时频分布也显示该段时间内海底地震波的时频特征很稳定，只是能量比渔船较近时稍微减少。上述现象在说明：与水声信号相比，海底地震波信号比较稳定，且传播频率比较低，其随着传播距离的增加而衰减较慢，适合远距离的传播。

2.2 时间段1 350~3 600 s内数据分析

对该时间段内的水听器接收信号进行截止频率均为100 Hz的低通滤波和高通滤波，得到的时域波形如图 8所示。图 9给出了水声信号0~100 Hz和100~400 Hz的时频分布。

同样，对该时间段内的拾振器接收信号进行截止频率均为100 Hz的低通滤波和高通滤波，得到的时域波形如图 10所示。图 11为拾振器接收信号0~100 Hz和100~400 Hz的时频分布。

由图 8可见，水听器信号经过低通滤波和高通滤波后得到的时域波形幅值量级相当；而且8(a)与8(b)的时域波形相似，变化趋势基本一致；并且由于防浪堤的阻挡作用，水听器信号在2 800 s后才表现出货船由远及近的航行状态，即出现幅值逐渐增大的特征。而图 10显示拾振器信号经过低通滤波后得到的时域波形幅值明显大于经过高通滤波后得到的时域波形幅值，说明拾振器接收的主要是低频信号；图 10(a)与图 10(b)显示的时域波形区别很大，说明两者相关性很小。

货船1和货船2分别在1 360~1 440 s、2 420~2 500 s内启动，图 10(a)显示的波形幅度在该时间段内逐渐增大；货船1在2 170 s、2 360 s先后两次降低功率，图 10(a)显示的波形幅度随之减小，同样货船2在3 400 s降低功率后，图 10(a)显示的波形幅度迅速减小；在货船1和货船2启动或减速的过程中，水听器信号(图 8)和图 10(b)中的波形均无明显变化；在2 000~2 200 s内图 10(b)中的波形变化是由于两艘拖船先靠近再远离引起的，图 8中的水听器信号在该时间段内同样出现了波峰，说明图 10(b)显示的是拾振器接收到的水声信号，也验证了上文中利用海底地震波信号和水声信号频段的不同而进行分离的可行性。

上述现象说明：货船航行激发的水中声波由于受到防浪堤的阻挡作用未能有效地传播到实验船所在的位置，水声信号不能实时反映货船的航行状态；而货船航行激发的海底地震波则能有效地传播到试验船所在的位置，其能及时反映货船的航行状态。

对比图 9(a)与11(a)可知，船舶航行引起的海底地震波能量主要集中在较低的频段5~30 Hz内，且时频分布较稳定；并在2 860~3 400 s货船2逐渐靠近的过程中，频谱有展宽的现象；而货船降低马力后，其频谱能量迅速降低，与图 10(a)中海底地震波时域信号的变化规律一致。由于防浪堤的作用，水声信号的时频分布(图 9)未能明显地体现出货船航行的变化规律，只在2 800 s后才显现52 Hz的线谱特征。

对比图 9(b)与11(b)可知，水听器信号和拾振器信号在频率100~400 Hz内的时频分布极为相似(椭圆区域内的频谱特征基本一致)，其中2 000~2 200 s内显示的是两艘拖船的时频特征，该现象同样说明拾振器接收信号的高频部分(100 Hz以上)为水声信号。

3 结论

1) 海底地震波经海底传播到岸上，在岸上传播时衰减较大，故不宜在岸上布放拾振器对海底地震波进行接收。

2) 渔船航行激发的海底地震波主要频率成分在5~20 Hz；货船航行激发的海底地震波主要频率成分在5~30 Hz，并且在20 Hz附近能量最强。

3) 水声信号容易受海水扰动和水中物体(防浪堤)等的影响，同时浅海声场受到海面边界以及水层中声速分布的制约，造成浅海中往往只存在有效的高频声波；而海底地震波的能量主要集中低频，并且具有不受上述声场约束条件影响的优点。

4) 当船舶靠近水听器和拾振器时，水声信号幅度的变化比较剧烈，而海底地震波信号幅度的变化则较平缓；当船舶远离水听器和拾振器时，水声信号明显减弱，而地震波信号则是稍微减小；说明海底地震波信号比较稳定，且随着传播距离的增加，海底地震波比声波衰减慢，适合远距离传播。

5) 拾振器同时接收到了海水中的声波信号和海底地震波信号，但与海底地震波信号相比，水声信号的幅度相对很小，且水声信号的频段主要在50 Hz以上，故对拾振器的接收信号进行低通滤波即可分离出海底地震波信号。