海洋环境下主要有海底微震（含陆地活动引发的地震）、舰船地震波以及风浪导致的地震波，航行舰船诱发的地震波属于水中激发的声源，微地震属于在岩石层激发的声源，不同起源的地震波理论上应有不同的特征。国外的S.C.Webb对陆地和海底的地震噪声从频率和成因上进行了概括和分类^[1]。利用海底地震仪记录天然地震纵横体波和微震可以来研究大范围内的地壳结构及其活动性，而研究海洋环境地震波可以基本掌握各类场源地震波的频率分布特点，特别是来往频繁的舰船地震波^{[2 – 3]}，为开展频率分集信号处理方法和地震仪耦合研究^{[4 – 5]}提供支撑。本文首先介绍了海洋环境水下地震波观测系统的基本组成，然后通过数据分析在不同海域情况下海洋环境及爆炸声源产生的水下地震波的时域特性、频域特性、极化特性进行研究，重点分析了海洋环境中舰船地震波与其他环境地震波的差异，并与水声信号进行对比分析。

目前的海底地震仪由两部分组成，分别为水下部分和水上部分，水下部分负责数据采集、水上部分负责测距和控制释放等。水下部分包括地震波速度传感器、水听器、通信水猫、沉耦架、熔断丝、保护壳体、采集电路、释放模块等组成，水上部分包括水声发射换能器以及控制模块（甲板机）等组成。采集时每组数据由4个通道组成，分别为水声通道和地震波3个通道，最高采样频率为500 Hz，地震波传感器有效频段为1～100 Hz，水听器有效频段为10～30 kHz。

利用国内外地震波特性研究成果，重点结合海底地震波数据从频带的差异上对海洋环境下不同震源地震波特性进行分析。图1为南海海域实测海洋环境地震波垂直分量噪声谱。结果表明，海洋环境不同震源地震波从频率上主要分为长周期波、远震、近震、航线等地震波；航线地震波主要是由于海上来往频繁的船只引起的，其地震波信号与其他海洋环境噪声区别主要在5 Hz以上存在明显的宽频信号，在5 Hz以下低频段频谱曲线基本一致。

图 1 海洋环境垂直分量噪声谱 Fig. 1 The noise spectrum of the perpendicular component of the marine seismic field

表1是海底地震仪布放位置；图2是南海海域，不同水深海底地震波三分量对比分析图。结果表明，同一海域，地震波三分量在远震、近震和航行等频带区域内基本上随着水深的增加而减小，在长周期波频带内，地震波三分量衰减主要和影响地震波的能量有关，水深影响较小。

图 2 南海海域，不同水深海底地震波三分量对比分析图 Fig. 2 The comparison of the three components of the marine seismic field in different depths in South China Sea

表 1(Tab. 1)

表 1 海底地震仪布放位置 Tab. 1 The locations of seismic sensors in sea bed 测点序号 经纬度/(°) 水深/km 1 112.541 9，14.370 0 3.1 2 112.294 7，15.084 6 2.0 3 112.105 9，15.623 3 1.6 4 111.920 0，16.160 0 0.9

表 1 海底地震仪布放位置 Tab.1 The locations of seismic sensors in sea bed

搜集了渤海（水深20 m）、黄海（水深20～30 m）、南海（水深0.9～2.5 km）不同海域不同水深10个站点海洋环境地震波数据，提取了其中含有舰船信号的数据段与环境进行对比分析，结果如下：

1）同一站点测量系统下，存在舰船目标的地震波信号与海洋环境噪声区别主要在5 Hz以上存在明显的宽频信号，在5 Hz以下低频段频谱曲线基本一致，结果表明舰船目标产生的地震波和其他海洋环境噪声可以从频率上进行区分。图3是舰船地震波与海洋环境噪声频谱对比图。

图 3 舰船地震波与海洋环境噪声频谱对比图 Fig. 3 The comparison of the spectrum between the seismic field of ship and the marine seismic field

2）在深海条件下海洋环境地震波噪声较低。同一型地震仪，渤海浅海海洋环境地震波比南海深海海洋环境地震波量级高20 dB。图4为不同海域海底地震波环境噪声对比图。

图 4 不同海域海底地震波环境噪声对比图 Fig. 4 The comparison of the spectrum of the marine seismic field in different sea areas

3）黄海浅海海域舰船目标地震波探测距离约1.1 km，南海深海海域舰船目标地震波探测距离大于3 km，探测距离增加了1倍以上。图5为不同海域舰船目标地震波时域曲线。

图 5 不同海域舰船目标地震波时域曲线 Fig. 5 The time domain curve of the seismic field of ship in different sea areas

4）对于单传感器接收，地震波传感器接收信号信噪比普遍高于水听器信号。图6为水听器与地震波传感器接收船只信号时频谱对比图。

图 6 水听器与地震波传感器接收船只信号时频谱对比图 Fig. 6 The comparison of the spectrogram of the seismic field of ship by the seismic sensor and hydrophone

通过爆炸声源地震波试验，对海底地震波从粒子运动、极化特性等方面，简单分析了海水-海床界面的耦合过程。图7为爆炸声源地震波三分量对比曲线。通过时频及频谱分析，爆炸声源产生的地震波为宽带的低频信号，频率范围主要在0.5～20 Hz，从时域信号分析，爆炸声源产生的地震波为一逐渐衰减的脉冲信号，持续时间约1.2s，在海底水平位移比垂直位移大，地震波x、y分量相位一致，与垂直分量不同。通过带通滤波处理后，爆炸声源声场通过特性曲线明显，与地震波三分量对应时刻一致。爆炸声源地震波在近表面海底压缩波以水平振动为主，由于大于一定频率的剪切波吸收衰减显著，接收信号的水平分量反而耦合较好，信噪比大于垂直分量，极化特征明显，同时环境噪声极化特征较弱，图8为爆炸声源地震波水平分量极化特性。

图 7 爆炸声源地震波三分量对比曲线 Fig. 7 The comparison of the three components of the seismic field of the explosion sonic source

图 8 爆炸声源地震波水平分量极化特性 Fig. 8 The polarization of horizontal component of the seismic field of the explosion sonic source

本项研究利用水下地震波传感器对中国渤海、黄海、南海海域海洋环境水下地震波进行观测，并利用爆炸声源对已知信号进行海上测试。通过对测量数据进行分析，发现以下特性：1）海洋环境不同震源地震波从频率上主要分为长周期波、远震、近震、航线等地震波；航线地震波主要是由于海上来往频繁的船只引起的，与其他海洋环境噪声区别主要在5 Hz以上存在明显的宽频信号；2）同一海域，地震波三分量在远震、近震和航行等频带区域内基本上随着水深的增加而减小，在长周期波频带内，地震波三分量衰减主要和影响地震波的能量有关，水深影响较小；3）在深海条件下海洋环境地震波噪声较低，同一型地震仪，渤海浅海海洋环境地震波比南海深海海洋环境地震波量级高20 dB；4）南海深海比黄海浅海海域舰船地震波探测距离增加了一倍以上；5）对于单传感器接收，地震波传感器接收信号信噪比普遍高于水听器信号；6）爆炸声源地震波水平分量信噪比大于垂直分量，极化特征明显。