不同環(huán)境下瓶鼻海豚click信號(hào)及仿真分析

陳晟，牛富強(qiáng)，林長(zhǎng)倫，劉偉

不同環(huán)境下瓶鼻海豚click信號(hào)及仿真分析

陳晟1，牛富強(qiáng)1，林長(zhǎng)倫2，劉偉2

(1. 自然資源部第三海洋研究所，福建廈門 361005；2. 廈門市漁港漁船管理處，福建廈門 361005)

瓶鼻海豚click信號(hào)具有較高的分辨率和抗混響性，但國(guó)內(nèi)對(duì)其研究和應(yīng)用仍然不足。利用寬帶高頻記錄系統(tǒng)，對(duì)瓶鼻海豚在水池環(huán)境近距離目標(biāo)以及自然環(huán)境下產(chǎn)生的click信號(hào)進(jìn)行記錄。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，瓶鼻海豚在水池環(huán)境下產(chǎn)生的click信號(hào)相比于自然環(huán)境下產(chǎn)生的click信號(hào)，信號(hào)長(zhǎng)度更長(zhǎng)，頻率更低，帶寬更窄。建立并利用瓶鼻海豚click信號(hào)的波形簡(jiǎn)化表達(dá)式，對(duì)仿生瓶鼻海豚click信號(hào)的模糊函數(shù)開展進(jìn)一步仿真分析，結(jié)果表明，自然環(huán)境下的瓶鼻海豚click信號(hào)信號(hào)長(zhǎng)度更短，有利于目標(biāo)的分辨；水池環(huán)境下的瓶鼻海豚click信號(hào)，峰值頻率更低，頻帶更窄，有利于抗混響。

瓶鼻海豚；click信號(hào)；信號(hào)長(zhǎng)度；頻率；抗混響

0 引言

眾所周知，海豚具有相當(dāng)完善的聲吶系統(tǒng)。經(jīng)過億萬(wàn)年的自然進(jìn)化，海豚聲吶具有驚人的靈活性和抗干擾能力，能根據(jù)定位距離的遠(yuǎn)近，自適應(yīng)地改變發(fā)聲頻率，可適應(yīng)近岸淺海的復(fù)雜海洋環(huán)境，其性能在某些方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前使用的人工聲吶。目前國(guó)內(nèi)外，一般將海豚發(fā)出的聲音分為三大類[1]：滴答聲(click)、哨叫聲(whistle)和爆裂脈沖(burst pulse)。海豚的whistle信號(hào)是一種時(shí)間連續(xù)信號(hào)，頻率分布一般幾千赫茲到幾萬(wàn)赫茲之間，主要用于交流通訊；burst pulse信號(hào)屬于應(yīng)急、突發(fā)信號(hào)，用于個(gè)體情緒表達(dá)；海豚的click信號(hào)屬于高頻、窄脈沖信號(hào)，用于定位、探測(cè)、識(shí)別等，由于該信號(hào)波形在復(fù)雜環(huán)境下(如淺海、渾濁水域)能對(duì)小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，適合人工聲吶的仿生借鑒，因此引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。90年代開始，美國(guó)以AU為代表的學(xué)者針對(duì)寬吻海豚的聲吶系統(tǒng)開展了深入研究[1-2]，進(jìn)行了大量的海豚聲吶對(duì)目標(biāo)的識(shí)別實(shí)驗(yàn)，近年來已開始利用仿生聲吶完成探測(cè)掩埋雷、水雷識(shí)別、水下蛙人識(shí)別、混響中目標(biāo)識(shí)別等。2007年，文獻(xiàn)[3]中的英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)CHRIS教授等利用仿寬吻海豚寬帶聲吶信號(hào)進(jìn)行海底地貌觀測(cè)，并將仿海豚的click信號(hào)與側(cè)掃聲吶結(jié)合，完成了海底掩埋線纜的探測(cè)任務(wù)。2015年，美國(guó)SpeakDolphin項(xiàng)目組利用水下傳聲器接收的海豚聲吶信號(hào)，得到了潛水員的模糊輪廓[4]。近些年，國(guó)內(nèi)也開展了一些海豚仿生應(yīng)用，包括將海豚whistle信號(hào)用于隱蔽水聲通信技術(shù)[5-6]，還有一些仿海豚click信號(hào)分析，click信號(hào)目標(biāo)回波分析等[7-9]，在這些仿生應(yīng)用中，采用的海豚發(fā)聲信號(hào)主要是通過查閱文獻(xiàn)仿真或下載網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)降采樣處理后的信號(hào)，這些信號(hào)有可能畸變較大，給仿生分析結(jié)果帶來不利。國(guó)內(nèi)對(duì)海豚click信號(hào)測(cè)量記錄方面，因受測(cè)試系統(tǒng)的頻帶、實(shí)驗(yàn)條件和方法限制，有一些相關(guān)記錄[10-11]，準(zhǔn)確長(zhǎng)期的觀測(cè)記錄依然較為缺乏。本文借助于廈門火燒嶼的兩只瓶鼻海豚，通過開展適應(yīng)性訓(xùn)練、尋找目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，記錄了大量瓶鼻海豚在水池中狹窄水道里尋找近距離目標(biāo)的軸向click信號(hào)數(shù)據(jù)，并展開分析。

1 瓶鼻海豚Click信號(hào)記錄

1.1 實(shí)驗(yàn)海豚及方法

2017年09月～2018年02月，對(duì)廈門火燒嶼的兩只瓶鼻海豚的發(fā)聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，每次記錄時(shí)間大約在4 h，共記錄10次80段(每段約3 min)原始發(fā)聲數(shù)據(jù)。兩只瓶鼻海豚分別為中年雄豚(M1)、中年雄豚(Y2)，實(shí)驗(yàn)期間海豚的基本情況如表1所示。

表1 兩只瓶鼻海豚基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

這兩只瓶鼻海豚在自然環(huán)境、自由游泳狀態(tài)下的click信號(hào)，在2011年已經(jīng)進(jìn)行過觀測(cè)和記錄[10]，2017年它們被移入新的圓形2#水池環(huán)境，水池直徑為5 m，深度為3 m，水池右方有個(gè)狹長(zhǎng)過道，寬1.2 m，長(zhǎng)2 m，深3 m。對(duì)于新的環(huán)境，首先開展適應(yīng)性訓(xùn)練，然后將其引入狹長(zhǎng)過道，進(jìn)行尋找目標(biāo)實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

圖1中目標(biāo)分別位于距離水聽器0.5 m和1 m處，目標(biāo)深度與水聽器深度一致，均為水下0.5 m。目標(biāo)1為銅球，直徑有5、10 cm兩種；目標(biāo)2為橡皮球，直徑為5、10、15 cm三種。經(jīng)過訓(xùn)練后的海豚頭部位于水聽器前1 m的方框中，方框的上沿深度也為水下0.5 m左右，盡量使水聽器接收到海豚發(fā)出的軸向click信號(hào)。

本實(shí)驗(yàn)采用的水聽器為Reson公司的全方向性水聽器TC 4014(含前置放大)。TC 4014線性頻率響應(yīng)范圍為25 Hz～250 kHz(±3 dB)，靈敏度為(–186±3) dB re: 1 V/μPa。水聽器與Reson公司的高通濾波放大器VP1000相連。VP1000具有6檔可調(diào)增益，范圍為0～32 dB，12檔高通濾波，范圍為0.1 Hz～50 kHz。模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采集設(shè)備為NI公司的高頻采集卡USB 6251。USB 6251具有16個(gè)輸入通道，單通道最高采樣率為1.25 MHz，轉(zhuǎn)換位數(shù)16 bits，量程±10 V。存儲(chǔ)設(shè)備為L(zhǎng)enovo公司的筆記本電腦Thinkpad W530。

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意

水聽器接收到信號(hào)后，經(jīng)由濾波放大器，通過A/D轉(zhuǎn)換采集設(shè)備將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，儲(chǔ)存在電腦硬盤上。本實(shí)驗(yàn)中采用單通道測(cè)量，采樣率設(shè)置為500 kHz，濾波放大器低頻截止頻率設(shè)置為1 kHz，增益設(shè)置為26 dB。采集過程由Labview軟件編寫的程序進(jìn)行控制。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 瓶鼻海豚click信號(hào)的時(shí)域波形

水池記錄的瓶鼻海豚click信號(hào)(圖2)與其它海豚的一樣，通常以一簇一簇的脈沖序列形式出現(xiàn)，可以應(yīng)用Adobe Audition軟件或Matalab軟件對(duì)記錄的波形進(jìn)行查看，如圖2(a)所示。在水池實(shí)驗(yàn)中，取出一段記錄時(shí)間為0.09 s的click信號(hào)序列波形進(jìn)行查看(圖2(a))，再取單個(gè)波形，放大后如圖2(c)所示，其相應(yīng)的頻譜如圖2(d)所示；2011年在自然環(huán)境下記錄時(shí)間3 s內(nèi)click信號(hào)序列波形[10]如圖2(b)所示。

紅骷髏占據(jù)了原來往生塔的位置，往生塔的大門，便是此時(shí)它的大口。天葬師閉著眼睛，站在它的口中，心口的位置，有一道刀刃留下的傷口，一縷鮮血從中流出，卻轉(zhuǎn)眼消散在了周圍的空氣中。

(a) 水池中記錄的click序列