圈養環境下瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨click脈沖信號特征分析

李赫，高大治，林建恒，遲靜

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圈養環境下瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨click脈沖信號特征分析

李赫1,4,5，高大治2，林建恒3，遲靜2

(1. 中國科學院水聲環境特性重點實驗室，北京 100190；2. 中國海洋大學海洋技術系，山東青島 266100； 3. 中國科學院聲學研究所北海研究站，山東青島 266109；4. 中國科學院大學，北京 100049； 5. 中國科學院聲學研究所，北京 100190)

通過實地采樣采集到的瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨的click脈沖信號數據，對所采集信號分別從時域、頻域、時頻特性以及距離分辨力等方面分別進行了分析對比。結果表明，三種海洋哺乳類動物均通過不斷發射click脈沖串實現對目標的探測，在這過程中可以調節脈沖間隔或信號波形，其中偽虎鯨一部分click脈沖信號的頻譜具有雙峰的特殊性質。通過對這三種海洋哺乳動物click脈沖信號模糊函數的分析，發現瓶鼻海豚與白鯨的距離分辨力可以達到毫米量級，偽虎鯨相對較差，但也可以達到厘米量級。而隨著頻譜雙峰信號的出現，偽虎鯨click脈沖信號的距離分辨力有明顯提高，也達到了毫米量級。

海洋哺乳動物；click脈沖信號；模糊函數；

0 引言

生物噪聲是海洋環境噪聲重要的組成部分[1]。在諸多生物噪聲源中，海洋哺乳動物長期以來一直是學者們重點研究的對象。海洋哺乳動物是海洋中高等的生物群體，在水下世界中，海豚、鯨類等海洋哺乳動物的視力極差，他們利用回聲定位實現覓食、躲避、通信等生理活動。對海洋哺乳動物回聲定位能力的研究對于聲吶信號設計、仿生學等學科領域有著極大的意義。

瓶鼻海豚是一種常見的海豚，B. K. Branstetter等[2]曾對瓶鼻海豚的三種不同叫聲信號分別從時域、頻域進行了較為詳細的分析，并介紹了其指向性，使人們對瓶鼻海豚的發聲信號有了一定的了解與認識。除瓶鼻海豚外，國內外的學者對其他具有發射信號能力的海洋哺乳動物也有一定的研究，這些哺乳動物中有體型較大的須鯨[3]、抹香鯨[4]，兇猛的虎鯨[5-6]，也有智力極高的白鯨[7-9]和偽虎鯨等[10-12]。

海豚、鯨類等大部分常見海洋哺乳動物的發音大體可分為三類：click脈沖信號、whistle掃頻信號、burst爆破音[2]。除海豚外，能夠發出click脈沖信號的還有白鯨、偽虎鯨、抹香鯨等。L. E. Freitag等[13]在1992年就曾對瓶鼻海豚的click脈沖信號和whistle掃頻信號的回聲定位能力進行了研究。在國內，牛富強等[14-15]、汪啟銘等[16]曾對中華白海豚、瓶鼻海豚的click脈沖信號進行分析，介紹了其時頻域等多方面的特性；除此之外，劉維等[17]、薛山花等[18]對海豚聲信號的實驗研究也都為本文提供了良好的參考依據。早在1984年，W. W. L. Au等[19]對采集白鯨的click脈沖信號進行特征分析，發現其具有高頻寬帶的特點，并有一定的調節能力。1995年，W. W. L. Au等[20]將偽虎鯨的click脈沖信號分為了4種類型，并已經發現其具有雙頻譜峰的特點。而近幾年，文獻[21]中介紹，通過考察夏威夷海域偽虎鯨click脈沖信號以及whistle掃頻信號的聲源級，分析了其探測距離。但對于幾種海洋哺乳動物click脈沖信號的特性及距離分辨能力尚沒有學者進行詳細比較，本文分別從時域、頻域、時頻分析以及模糊度函數等方面，對在青島海昌極地海洋世界采集到的瓶鼻海豚、白鯨以及偽虎鯨的click脈沖信號的特性進行了對比，分析了其距離分辨力差異。

1 信號采集實驗

為了采集幾種海洋哺乳動物的聲吶信號，記錄設備采用帶有前置放大器的水聽器、National Instrument 公司PXI 1042Q信號采集器，采樣頻率為200 kHz。信號錄取對象為青島海昌極地海洋世界人工飼養池內的瓶鼻海豚、白鯨以及偽虎鯨，瓶鼻海豚的飼養環境如圖1所示，4頭瓶鼻海豚飼養在約50 m2的飼養池中，水深約5 m，為防止回波信號帶來的干擾，水聽器放在水面下2 m，并固定在表演池和飼養池間的閘門上。白鯨和偽虎鯨各兩頭分別飼養在各自的飼養池當中，飼養池大小約為20 m2。當幾種海洋哺乳動物在水下發出聲信號時，水聽器作為接收端可以接收到信噪比較高的聲信號，通過實時數據顯示，記錄下質量較高的時間節點，以便于實驗后的數據查找以及處理。

圖1 瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨的飼養環境

2 三種典型海洋哺乳動物click脈沖信號分析

海洋哺乳動物的click脈沖信號具有持續時間短、頻帶寬的特點，主要用來實現定位、探測等生理活動。因在實驗條件下，幾種動物一直處于游動狀態，無法保持其與水聽器的距離不變，因此本文研究的特征只涉及時間以及頻率的特征，而不涉及聲強的實際測量值。忽略聲強分析對于本文分析研究的影響可以不予考慮。

2.1 瓶鼻海豚click脈沖信號分析

海豚以脈沖串的形式發射click脈沖信號，通過對回波的處理從而實現各種生理活動。每個脈沖串所包含的脈沖個數并不相等，少的僅僅幾個，多的幾百個。圖2是一串典型的瓶鼻海豚的click脈沖串，其中包含幾十個單脈沖信號，每兩個脈沖信號的間隔大多為幾十毫秒，信號間隔隨著時間逐步減小。圖3給出了脈沖間隔的變化情況，從最初的60 ms最終趨于20 ms左右。圖4為脈沖串中一個單脈沖信號的時域波形，每個單脈沖的長度基本恒定，在100 μs以下。

在軟件中，利用一維離散快速傅里葉變換可對信號進行譜分析以及時頻特性的分析，根據脈沖間隔和單脈沖的持續時間，在保證圖像分辨率的前提下，將時間窗長度均取為5 ms。圖5是圖2所示脈沖串的時頻特性圖，瓶鼻海豚的click脈沖信號屬于寬頻信號，頻率范圍較寬，從10 kHz左右到100 kHz以上均有成分，其中能量在30～60 kHz范圍內相對較高，而每個單脈沖的頻率范圍并不完全一致。

圖2 瓶鼻海豚click脈沖串

圖3 瓶鼻海豚click脈沖時間間隔變化曲線

圖4 瓶鼻海豚單脈沖信號時域波形

圖5 圖2中瓶鼻海豚click脈沖串時頻特性圖

圖6 瓶鼻海豚單脈沖信號三維模糊函數圖

圖7 瓶鼻海豚單脈沖信號模糊度圖

圖8 瓶鼻海豚脈沖串前20個脈沖時延測量精度變化圖

2.2 白鯨click脈沖信號分析

與海豚一樣，白鯨的click脈沖信號也用來實現探測、定位等生理功能。在時域上，白鯨的click脈沖串持續時間較長，且每兩個脈沖之間間隔較小。圖9是截取了一串脈沖信號其中的一部分的信號時域圖，脈沖間隔非常穩定，幾乎不會隨著時間有明顯變化，其間隔均在3 ms左右。單個脈沖信號的長度與瓶鼻海豚相近，在100 μs左右，也沒有發現其隨時間變化，白鯨單脈沖信號的時域波形如圖10所示。在頻域上，白鯨的click脈沖信號頻譜能量在15 kHz左右到100 kHz以上均有分布，其中30～50 kHz范圍內能量分布較高，其余范圍內較低，如圖11所示。相比瓶鼻海豚而言，最低頻率要稍高一些，在人耳可聽域內能量分布極少，因此在錄取的音頻文件中很難聽到白鯨的click脈沖的聲音。

圖9 白鯨click脈沖串

圖10 白鯨單脈沖信號時域波形

圖11 白鯨click脈沖信號時頻特性圖

白鯨的click脈沖信號對于速度的分辨能力很差，但對距離的分辨能力較強，這點與瓶鼻海豚相同，圖12、13是一個較為理想的單脈沖信號的三維模糊函數圖以及模糊度圖。該脈沖信號的時延測量精度為1.5 μs，在聲速為1 500 m·s-1的水中，該脈沖信號對距離的分辨能力為2.25 mm，這與瓶鼻海豚相近；而整個脈沖串的距離分辨力隨時間變化也并不明顯，每個單脈沖的時間測量精度均在2 μs上下浮動(見圖14)；從實際信號采樣情況上分析，在錄取白鯨聲吶信號時，飼養池中的白鯨一直在水聽器附近徘徊，其到距離基本沒有太明顯變化。

圖12 白鯨單脈沖信號三維模糊函數圖

圖13 白鯨單脈沖信號模糊度圖

圖14 白鯨脈沖串25個脈沖時延測量精度變化圖

2.3 偽虎鯨click脈沖分析

圖15是一串完整的偽虎鯨click脈沖串及其時頻圖，其中總共包含15個單脈沖信號，其數量要遠小于瓶鼻海豚與白鯨的脈沖串數量。每個單脈沖信號的長度要長于前兩者，量級為毫秒，如圖16所示。而在已有數據中，其脈沖間隔隨時間逐漸擴大，圖17給出了其變化趨勢，從最初的43 ms逐漸變寬，到最后的150 ms，這顯然與瓶鼻海豚的變化趨勢相反，且脈沖寬度要遠寬于白鯨。

圖15 偽虎鯨click脈沖串的時域波形和時頻圖

圖16 偽虎鯨單脈沖信號時域波形

圖17 偽虎鯨click脈沖間隔變化曲線

在頻域上，偽虎鯨的click脈沖信號顯示出了其與前兩者截然不同的特點，為了明顯的對比，將其放在一起進行比較。對于脈沖串中前一部分脈沖信號，頻率范圍與前兩者相比較低，在10 kHz以下，而后一部分信號的能量主要分布在兩個范圍內，一部分在10 kHz以下，另一部分在60～100 kHz附近，而中間頻段能量非常低，在時頻圖中并不明顯。為了證明這種雙頻率峰真實存在而不是數據處理過程的錯誤，圖18和19分別給出了該脈沖串中第三個和最后一個單脈沖信號的頻譜圖(其余圖像在此不一一列出)，雖然時頻圖中80 kHz處存在一個干擾，但在70 kHz與90 kHz附近峰值明顯，說明這種一個脈沖內含有雙峰現象是切實存在的。

圖18 偽虎鯨第3個單脈沖信號頻譜圖

圖19 偽虎鯨第15個單脈沖信號頻譜圖

圖20 偽虎鯨單脈沖信號三維模糊函數圖

圖21 偽虎鯨單脈沖信號模糊度圖

圖22 偽虎鯨click脈沖串時延測量精度變化圖

2.4 瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨click脈沖信號對比

為更準確地比較三種海洋哺乳動物在頻域上的特點，在此對100個瓶鼻海豚、100個白鯨、30個偽虎鯨click脈沖信號進行頻譜分析，并匯總統計。如圖23～25所示。結果表明，本次實驗所采集的瓶鼻海豚的click脈沖信號峰值頻率出現在30 kHz左右，白鯨的click脈沖信號峰值頻率出現在30～50 kHz之間，而偽虎鯨的click脈沖信號峰值頻率則在8 kHz左右和60 kHz以上。

表1為三種海洋哺乳動物click脈沖信號對比。

從表1中看出，瓶鼻海豚與白鯨的click脈沖信號的單脈沖長度、頻率范圍較為相近，且都具有較高的距離分辨力，可以分辨相距幾毫米的目標；而偽虎鯨的單脈沖長度以及脈沖間隔都要大于前兩者，頻譜單峰脈沖信號對距離的分辨能力也與海豚和白鯨相差一個數量級，而在增加了高頻峰之后，距離分辨力顯著提高，與瓶鼻海豚和白鯨相近。

圖23 瓶鼻海豚click脈沖信號頻譜統計圖

圖24 白鯨click脈沖信號頻譜統計圖

圖25 偽虎鯨click脈沖信號頻譜統計圖

表1 三種海洋哺乳動物click脈沖信號對比

3 結論

瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨三種海洋哺乳動物均通過click脈沖信號來實現探測、回聲定位等生理活動。本文通過實地采樣，對采集的三種典型海洋哺乳動物的click脈沖信號分別從時域、頻域、時頻特性以及模糊函數等角度加以處理和分析。結果表明：三種海洋哺乳動物均通過不斷地發射寬頻的窄脈沖信號串來實現對目標的探測等生理活動，在這個過程中可以調節所發射信號的形式以及特性。偽虎鯨的單脈沖信號長度要長于瓶鼻海豚和白鯨，前者以毫秒為量級，與后者相差一個數量級；脈沖間隔白鯨最為密集，發射頻率較高；瓶鼻海豚和白鯨的能量在10 kHz左右到100 kHz以上均有分布，距離分辨力可以達到毫秒量級；而偽虎鯨的部分信號出現了頻譜雙峰現象，頻譜單峰信號的距離分辨力以厘米為量級，隨著頻譜雙峰的出現，其距離分辨能力有顯著的提高，達到了毫米量級。

海洋哺乳類動物發聲信號的形式多種多樣，每種發聲形式都有其特定的功能與規律，本文僅對click脈沖信號進行了簡要的分析對比，為日后的海洋哺乳類動物研究工作提供了一定的基礎。而海洋哺乳動物的聲吶系統極其復雜，它們是否會在活動中隨著環境的不斷變化自適應地調節信號的特性，本文尚不能給出確定的結論；而偽虎鯨click脈沖信號的頻譜雙峰的形成機理在此也不能給出詳盡的解釋，以上都是今后工作的重點。

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Analyses of click signal characteristics of captive bottlenose dolphins, beluga whales and false killer whales

LI He1,4,5, GAO Da-zhi2, LIN Jian-heng3, CHI Jing2

(1. Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Department of Marine Technology, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 3. Qingdao Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266109, Shandong, China; 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 5.Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The click pulse signals of dolphins, white whales and false killer whales are collected by field sampling. Then the time-frequency characteristics and distance resolution of the collected signals are analyzed and compared in time domain and frequency domain. The results show that the three marine mammals can achieve target detection by continuously transmitting click pulse trains. In this process, the pulse interval or signal waveform of the click pulses can be adjusted. The spectrum of a part of the click pulse signal of false killer whales has the special character of bimodal. Through the analyses of the ambiguity functions of the click signals of the three marine mammals, it is found that the distance resolution of bottlenose dolphins and white whales can reach millimeter scale; the false killer whales is relatively poor in distance resolution, which reaches centimeter scale. However, with the emergence of bimodal spectrum signals, the distance resolution of false killer whales is improved significantly and can also reach millimeter scale.

marine mammals; click pulse signal; ambiguity function

Q62

A

1000-3630(2019)-01-0024-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.004

2018-01-06;

2018-02-10

李赫(1993－), 男, 遼寧丹東人, 碩士研究生, 研究方向為水聲物理。

高大治, E-mail: dzgao@ouc.edu.cn