陳晟,牛富強,林長倫,劉偉
不同環(huán)境下瓶鼻海豚click信號及仿真分析
陳晟1,牛富強1,林長倫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信號具有較高的分辨率和抗混響性,但國內對其研究和應用仍然不足。利用寬帶高頻記錄系統(tǒng),對瓶鼻海豚在水池環(huán)境近距離目標以及自然環(huán)境下產(chǎn)生的click信號進行記錄。經(jīng)過統(tǒng)計和對比分析,瓶鼻海豚在水池環(huán)境下產(chǎn)生的click信號相比于自然環(huán)境下產(chǎn)生的click信號,信號長度更長,頻率更低,帶寬更窄。建立并利用瓶鼻海豚click信號的波形簡化表達式,對仿生瓶鼻海豚click信號的模糊函數(shù)開展進一步仿真分析,結果表明,自然環(huán)境下的瓶鼻海豚click信號信號長度更短,有利于目標的分辨;水池環(huán)境下的瓶鼻海豚click信號,峰值頻率更低,頻帶更窄,有利于抗混響。
瓶鼻海豚;click信號;信號長度;頻率;抗混響
眾所周知,海豚具有相當完善的聲吶系統(tǒng)。經(jīng)過億萬年的自然進化,海豚聲吶具有驚人的靈活性和抗干擾能力,能根據(jù)定位距離的遠近,自適應地改變發(fā)聲頻率,可適應近岸淺海的復雜海洋環(huán)境,其性能在某些方面已遠遠超過了當前使用的人工聲吶。目前國內外,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信號是一種時間連續(xù)信號,頻率分布一般幾千赫茲到幾萬赫茲之間,主要用于交流通訊;burst pulse信號屬于應急、突發(fā)信號,用于個體情緒表達;海豚的click信號屬于高頻、窄脈沖信號,用于定位、探測、識別等,由于該信號波形在復雜環(huán)境下(如淺海、渾濁水域)能對小目標進行探測和識別,適合人工聲吶的仿生借鑒,因此引起了國內外眾多學者的關注。90年代開始,美國以AU為代表的學者針對寬吻海豚的聲吶系統(tǒng)開展了深入研究[1-2],進行了大量的海豚聲吶對目標的識別實驗,近年來已開始利用仿生聲吶完成探測掩埋雷、水雷識別、水下蛙人識別、混響中目標識別等。2007年,文獻[3]中的英國赫瑞瓦特大學CHRIS教授等利用仿寬吻海豚寬帶聲吶信號進行海底地貌觀測,并將仿海豚的click信號與側掃聲吶結合,完成了海底掩埋線纜的探測任務。2015年,美國SpeakDolphin項目組利用水下傳聲器接收的海豚聲吶信號,得到了潛水員的模糊輪廓[4]。近些年,國內也開展了一些海豚仿生應用,包括將海豚whistle信號用于隱蔽水聲通信技術[5-6],還有一些仿海豚click信號分析,click信號目標回波分析等[7-9],在這些仿生應用中,采用的海豚發(fā)聲信號主要是通過查閱文獻仿真或下載網(wǎng)絡上經(jīng)降采樣處理后的信號,這些信號有可能畸變較大,給仿生分析結果帶來不利。國內對海豚click信號測量記錄方面,因受測試系統(tǒng)的頻帶、實驗條件和方法限制,有一些相關記錄[10-11],準確長期的觀測記錄依然較為缺乏。本文借助于廈門火燒嶼的兩只瓶鼻海豚,通過開展適應性訓練、尋找目標實驗,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的軸向click信號數(shù)據(jù),并展開分析。
2017年09月~2018年02月,對廈門火燒嶼的兩只瓶鼻海豚的發(fā)聲進行現(xiàn)場記錄,每次記錄時間大約在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),實驗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
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,在2011年已經(jīng)進行過觀測和記錄[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,水池右方有個狹長過道,寬1.2 m,長2 m,深3 m。對于新的環(huán)境,首先開展適應性訓練,然后將其引入狹長過道,進行尋找目標實驗。構建的實驗系統(tǒng)和實驗現(xiàn)場情況如圖1所示。
圖1中目標分別位于距離水聽器0.5 m和1 m處,目標深度與水聽器深度一致,均為水下0.5 m。目標1為銅球,直徑有5、10 cm兩種;目標2為橡皮球,直徑為5、10、15 cm三種。經(jīng)過訓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。
本實驗采用的水聽器為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)轉換采集設備為NI公司的高頻采集卡USB 6251。USB 6251具有16個輸入通道,單通道最高采樣率為1.25 MHz,轉換位數(shù)16 bits,量程±10 V。存儲設備為Lenovo公司的筆記本電腦Thinkpad W530。
圖1 實驗現(xiàn)場示意
水聽器接收到信號后,經(jīng)由濾波放大器,通過A/D轉換采集設備將模擬信號轉換成數(shù)字信號,儲存在電腦硬盤上。本實驗中采用單通道測量,采樣率設置為500 kHz,濾波放大器低頻截止頻率設置為1 kHz,增益設置為26 dB。采集過程由Labview軟件編寫的程序進行控制。
水池記錄的瓶鼻海豚click信號(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),可以應用Adobe Audition軟件或Matalab軟件對記錄的波形進行查看,如圖2(a)所示。在水池實驗中,取出一段記錄時間為0.09 s的click信號序列波形進行查看(圖2(a)),再取單個波形,放大后如圖2(c)所示,其相應的頻譜如圖2(d)所示;2011年在自然環(huán)境下記錄時間3 s內click信號序列波形[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,卻轉眼消散在了周圍的空氣中。
(a) 水池中記錄的click序列