李赫，高大治，林建恒，遲靜

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圈養(yǎng)環(huán)境下瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨click脈沖信號(hào)特征分析

李赫1,4,5，高大治2，林建恒3，遲靜2

(1. 中國(guó)科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋技術(shù)系，山東青島 266100； 3. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，山東青島 266109；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 5. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190)

通過(guò)實(shí)地采樣采集到的瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨的click脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)所采集信號(hào)分別從時(shí)域、頻域、時(shí)頻特性以及距離分辨力等方面分別進(jìn)行了分析對(duì)比。結(jié)果表明，三種海洋哺乳類動(dòng)物均通過(guò)不斷發(fā)射click脈沖串實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，在這過(guò)程中可以調(diào)節(jié)脈沖間隔或信號(hào)波形，其中偽虎鯨一部分click脈沖信號(hào)的頻譜具有雙峰的特殊性質(zhì)。通過(guò)對(duì)這三種海洋哺乳動(dòng)物click脈沖信號(hào)模糊函數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)瓶鼻海豚與白鯨的距離分辨力可以達(dá)到毫米量級(jí)，偽虎鯨相對(duì)較差，但也可以達(dá)到厘米量級(jí)。而隨著頻譜雙峰信號(hào)的出現(xiàn)，偽虎鯨click脈沖信號(hào)的距離分辨力有明顯提高，也達(dá)到了毫米量級(jí)。

海洋哺乳動(dòng)物；click脈沖信號(hào)；模糊函數(shù)；

0 引言

生物噪聲是海洋環(huán)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(dòng)物長(zhǎng)期以來(lái)一直是學(xué)者們重點(diǎn)研究的對(duì)象。海洋哺乳動(dòng)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(dòng)物的視力極差，他們利用回聲定位實(shí)現(xiàn)覓食、躲避、通信等生理活動(dòng)。對(duì)海洋哺乳動(dòng)物回聲定位能力的研究對(duì)于聲吶信號(hào)設(shè)計(jì)、仿生學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有著極大的意義。

瓶鼻海豚是一種常見(jiàn)的海豚，B. K. Branstetter等[2]曾對(duì)瓶鼻海豚的三種不同叫聲信號(hào)分別從時(shí)域、頻域進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，并介紹了其指向性，使人們對(duì)瓶鼻海豚的發(fā)聲信號(hào)有了一定的了解與認(rèn)識(shí)。除瓶鼻海豚外，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其他具有發(fā)射信號(hào)能力的海洋哺乳動(dòng)物也有一定的研究，這些哺乳動(dòng)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(jiàn)海洋哺乳動(dòng)物的發(fā)音大體可分為三類：click脈沖信號(hào)、whistle掃頻信號(hào)、burst爆破音[2]。除海豚外，能夠發(fā)出click脈沖信號(hào)的還有白鯨、偽虎鯨、抹香鯨等。L. E. Freitag等[13]在1992年就曾對(duì)瓶鼻海豚的click脈沖信號(hào)和whistle掃頻信號(hào)的回聲定位能力進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi)，牛富強(qiáng)等[14-15]、汪啟銘等[16]曾對(duì)中華白海豚、瓶鼻海豚的click脈沖信號(hào)進(jìn)行分析，介紹了其時(shí)頻域等多方面的特性；除此之外，劉維等[17]、薛山花等[18]對(duì)海豚聲信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究也都為本文提供了良好的參考依據(jù)。早在1984年，W. W. L. Au等[19]對(duì)采集白鯨的click脈沖信號(hào)進(jìn)行特征分析，發(fā)現(xiàn)其具有高頻寬帶的特點(diǎn)，并有一定的調(diào)節(jié)能力。1995年，W. W. L. Au等[20]將偽虎鯨的click脈沖信號(hào)分為了4種類型，并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有雙頻譜峰的特點(diǎn)。而近幾年，文獻(xiàn)[21]中介紹，通過(guò)考察夏威夷海域偽虎鯨click脈沖信號(hào)以及whistle掃頻信號(hào)的聲源級(jí)，分析了其探測(cè)距離。但對(duì)于幾種海洋哺乳動(dòng)物click脈沖信號(hào)的特性及距離分辨能力尚沒(méi)有學(xué)者進(jìn)行詳細(xì)比較，本文分別從時(shí)域、頻域、時(shí)頻分析以及模糊度函數(shù)等方面，對(duì)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(hào)的特性進(jìn)行了對(duì)比，分析了其距離分辨力差異。

1 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

為了采集幾種海洋哺乳動(dòng)物的聲吶信號(hào)，記錄設(shè)備采用帶有前置放大器的水聽(tīng)器、National Instrument 公司PXI 1042Q信號(hào)采集器，采樣頻率為200 kHz。信號(hào)錄取對(duì)象為青島海昌極地海洋世界人工飼養(yǎng)池內(nèi)的瓶鼻海豚、白鯨以及偽虎鯨，瓶鼻海豚的飼養(yǎng)環(huán)境如圖1所示，4頭瓶鼻海豚飼養(yǎng)在約50 m2的飼養(yǎng)池中，水深約5 m，為防止回波信號(hào)帶來(lái)的干擾，水聽(tīng)器放在水面下2 m，并固定在表演池和飼養(yǎng)池間的閘門(mén)上。白鯨和偽虎鯨各兩頭分別飼養(yǎng)在各自的飼養(yǎng)池當(dāng)中，飼養(yǎng)池大小約為20 m2。當(dāng)幾種海洋哺乳動(dòng)物在水下發(fā)出聲信號(hào)時(shí)，水聽(tīng)器作為接收端可以接收到信噪比較高的聲信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，記錄下質(zhì)量較高的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以便于實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)查找以及處理。

圖1 瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨的飼養(yǎng)環(huán)境

2 三種典型海洋哺乳動(dòng)物click脈沖信號(hào)分析

海洋哺乳動(dòng)物的click脈沖信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短、頻帶寬的特點(diǎn)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)定位、探測(cè)等生理活動(dòng)。因在實(shí)驗(yàn)條件下，幾種動(dòng)物一直處于游動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法保持其與水聽(tīng)器的距離不變，因此本文研究的特征只涉及時(shí)間以及頻率的特征，而不涉及聲強(qiáng)的實(shí)際測(cè)量值。忽略聲強(qiáng)分析對(duì)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(hào)分析

海豚以脈沖串的形式發(fā)射click脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)回波的處理從而實(shí)現(xiàn)各種生理活動(dòng)。每個(gè)脈沖串所包含的脈沖個(gè)數(shù)并不相等，少的僅僅幾個(gè)，多的幾百個(gè)。圖2是一串典型的瓶鼻海豚的click脈沖串，其中包含幾十個(gè)單脈沖信號(hào)，每?jī)蓚€(gè)脈沖信號(hào)的間隔大多為幾十毫秒，信號(hào)間隔隨著時(shí)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(gè)單脈沖信號(hào)的時(shí)域波形，每個(gè)單脈沖的長(zhǎng)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(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析以及時(shí)頻特性的分析，根據(jù)脈沖間隔和單脈沖的持續(xù)時(shí)間，在保證圖像分辨率的前提下，將時(shí)間窗長(zhǎng)度均取為5 ms。圖5是圖2所示脈沖串的時(shí)頻特性圖，瓶鼻海豚的click脈沖信號(hào)屬于寬頻信號(hào)，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(nèi)相對(duì)較高，而每個(gè)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(shí)間間隔變化曲線

圖4 瓶鼻海豚單脈沖信號(hào)時(shí)域波形

圖5 圖2中瓶鼻海豚click脈沖串時(shí)頻特性圖

圖6 瓶鼻海豚單脈沖信號(hào)三維模糊函數(shù)圖

圖7 瓶鼻海豚單脈沖信號(hào)模糊度圖

圖8 瓶鼻海豚脈沖串前20個(gè)脈沖時(shí)延測(cè)量精度變化圖

2.2 白鯨click脈沖信號(hào)分析

與海豚一樣，白鯨的click脈沖信號(hào)也用來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)、定位等生理功能。在時(shí)域上，白鯨的click脈沖串持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且每?jī)蓚€(gè)脈沖之間間隔較小。圖9是截取了一串脈沖信號(hào)其中的一部分的信號(hào)時(shí)域圖，脈沖間隔非常穩(wěn)定，幾乎不會(huì)隨著時(shí)間有明顯變化，其間隔均在3 ms左右。單個(gè)脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度與瓶鼻海豚相近，在100 μs左右，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其隨時(shí)間變化，白鯨單脈沖信號(hào)的時(shí)域波形如圖10所示。在頻域上，白鯨的click脈沖信號(hào)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(nèi)能量分布較高，其余范圍內(nèi)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(tīng)域內(nèi)能量分布極少，因此在錄取的音頻文件中很難聽(tīng)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(hào)時(shí)域波形

圖11 白鯨click脈沖信號(hào)時(shí)頻特性圖

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

圖12 白鯨單脈沖信號(hào)三維模糊函數(shù)圖

圖13 白鯨單脈沖信號(hào)模糊度圖

圖14 白鯨脈沖串25個(gè)脈沖時(shí)延測(cè)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(shí)頻圖，其中總共包含15個(gè)單脈沖信號(hào)，其數(shù)量要遠(yuǎn)小于瓶鼻海豚與白鯨的脈沖串?dāng)?shù)量。每個(gè)單脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于前兩者，量級(jí)為毫秒，如圖16所示。而在已有數(shù)據(jù)中，其脈沖間隔隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大，圖17給出了其變化趨勢(shì)，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(shì)相反，且脈沖寬度要遠(yuǎn)寬于白鯨。

圖15 偽虎鯨click脈沖串的時(shí)域波形和時(shí)頻圖

圖16 偽虎鯨單脈沖信號(hào)時(shí)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(hào)顯示出了其與前兩者截然不同的特點(diǎn)，為了明顯的對(duì)比，將其放在一起進(jìn)行比較。對(duì)于脈沖串中前一部分脈沖信號(hào)，頻率范圍與前兩者相比較低，在10 kHz以下，而后一部分信號(hào)的能量主要分布在兩個(gè)范圍內(nèi)，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(shí)頻圖中并不明顯。為了證明這種雙頻率峰真實(shí)存在而不是數(shù)據(jù)處理過(guò)程的錯(cuò)誤，圖18和19分別給出了該脈沖串中第三個(gè)和最后一個(gè)單脈沖信號(hào)的頻譜圖(其余圖像在此不一一列出)，雖然時(shí)頻圖中80 kHz處存在一個(gè)干擾，但在70 kHz與90 kHz附近峰值明顯，說(shuō)明這種一個(gè)脈沖內(nèi)含有雙峰現(xiàn)象是切實(shí)存在的。

圖18 偽虎鯨第3個(gè)單脈沖信號(hào)頻譜圖

圖19 偽虎鯨第15個(gè)單脈沖信號(hào)頻譜圖

圖20 偽虎鯨單脈沖信號(hào)三維模糊函數(shù)圖

圖21 偽虎鯨單脈沖信號(hào)模糊度圖

圖22 偽虎鯨click脈沖串時(shí)延測(cè)量精度變化圖

2.4 瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨click脈沖信號(hào)對(duì)比

為更準(zhǔn)確地比較三種海洋哺乳動(dòng)物在頻域上的特點(diǎn)，在此對(duì)100個(gè)瓶鼻海豚、100個(gè)白鯨、30個(gè)偽虎鯨click脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并匯總統(tǒng)計(jì)。如圖23～25所示。結(jié)果表明，本次實(shí)驗(yàn)所采集的瓶鼻海豚的click脈沖信號(hào)峰值頻率出現(xiàn)在30 kHz左右，白鯨的click脈沖信號(hào)峰值頻率出現(xiàn)在30～50 kHz之間，而偽虎鯨的click脈沖信號(hào)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(dòng)物click脈沖信號(hào)對(duì)比。

從表1中看出，瓶鼻海豚與白鯨的click脈沖信號(hào)的單脈沖長(zhǎng)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(biāo)；而偽虎鯨的單脈沖長(zhǎng)度以及脈沖間隔都要大于前兩者，頻譜單峰脈沖信號(hào)對(duì)距離的分辨能力也與海豚和白鯨相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(hào)頻譜統(tǒng)計(jì)圖

圖24 白鯨click脈沖信號(hào)頻譜統(tǒng)計(jì)圖

圖25 偽虎鯨click脈沖信號(hào)頻譜統(tǒng)計(jì)圖

表1 三種海洋哺乳動(dòng)物click脈沖信號(hào)對(duì)比

3 結(jié)論

瓶鼻海豚、白鯨、偽虎鯨三種海洋哺乳動(dòng)物均通過(guò)click脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)、回聲定位等生理活動(dòng)。本文通過(guò)實(shí)地采樣，對(duì)采集的三種典型海洋哺乳動(dòng)物的click脈沖信號(hào)分別從時(shí)域、頻域、時(shí)頻特性以及模糊函數(shù)等角度加以處理和分析。結(jié)果表明：三種海洋哺乳動(dòng)物均通過(guò)不斷地發(fā)射寬頻的窄脈沖信號(hào)串來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)等生理活動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中可以調(diào)節(jié)所發(fā)射信號(hào)的形式以及特性。偽虎鯨的單脈沖信號(hào)長(zhǎng)度要長(zhǎng)于瓶鼻海豚和白鯨，前者以毫秒為量級(jí)，與后者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；脈沖間隔白鯨最為密集，發(fā)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(dá)到毫秒量級(jí)；而偽虎鯨的部分信號(hào)出現(xiàn)了頻譜雙峰現(xiàn)象，頻譜單峰信號(hào)的距離分辨力以厘米為量級(jí)，隨著頻譜雙峰的出現(xiàn)，其距離分辨能力有顯著的提高，達(dá)到了毫米量級(jí)。

海洋哺乳類動(dòng)物發(fā)聲信號(hào)的形式多種多樣，每種發(fā)聲形式都有其特定的功能與規(guī)律，本文僅對(duì)click脈沖信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析對(duì)比，為日后的海洋哺乳類動(dòng)物研究工作提供了一定的基礎(chǔ)。而海洋哺乳動(dòng)物的聲吶系統(tǒng)極其復(fù)雜，它們是否會(huì)在活動(dòng)中隨著環(huán)境的不斷變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)信號(hào)的特性，本文尚不能給出確定的結(jié)論；而偽虎鯨click脈沖信號(hào)的頻譜雙峰的形成機(jī)理在此也不能給出詳盡的解釋，以上都是今后工作的重點(diǎn)。

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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?yàn)樗曃锢怼?/p>

高大治, E-mail: dzgao@ouc.edu.cn