不同环境下瓶鼻海豚click信号及仿真分析

陈晟，牛富强，林长伦，刘伟

不同环境下瓶鼻海豚click信号及仿真分析

陈晟1，牛富强1，林长伦2，刘伟2

(1. 自然资源部第三海洋研究所，福建厦门 361005；2. 厦门市渔港渔船管理处，福建厦门 361005)

瓶鼻海豚click信号具有较高的分辨率和抗混响性，但国内对其研究和应用仍然不足。利用宽带高频记录系统，对瓶鼻海豚在水池环境近距离目标以及自然环境下产生的click信号进行记录。经过统计和对比分析，瓶鼻海豚在水池环境下产生的click信号相比于自然环境下产生的click信号，信号长度更长，频率更低，带宽更窄。建立并利用瓶鼻海豚click信号的波形简化表达式，对仿生瓶鼻海豚click信号的模糊函数开展进一步仿真分析，结果表明，自然环境下的瓶鼻海豚click信号信号长度更短，有利于目标的分辨；水池环境下的瓶鼻海豚click信号，峰值频率更低，频带更窄，有利于抗混响。

瓶鼻海豚；click信号；信号长度；频率；抗混响

0 引言

众所周知，海豚具有相当完善的声呐系统。经过亿万年的自然进化，海豚声呐具有惊人的灵活性和抗干扰能力，能根据定位距离的远近，自适应地改变发声频率，可适应近岸浅海的复杂海洋环境，其性能在某些方面已远远超过了当前使用的人工声呐。目前国内外，一般将海豚发出的声音分为三大类[1]：滴答声(click)、哨叫声(whistle)和爆裂脉冲(burst pulse)。海豚的whistle信号是一种时间连续信号，频率分布一般几千赫兹到几万赫兹之间，主要用于交流通讯；burst pulse信号属于应急、突发信号，用于个体情绪表达；海豚的click信号属于高频、窄脉冲信号，用于定位、探测、识别等，由于该信号波形在复杂环境下(如浅海、浑浊水域)能对小目标进行探测和识别，适合人工声呐的仿生借鉴，因此引起了国内外众多学者的关注。90年代开始，美国以AU为代表的学者针对宽吻海豚的声呐系统开展了深入研究[1-2]，进行了大量的海豚声呐对目标的识别实验，近年来已开始利用仿生声呐完成探测掩埋雷、水雷识别、水下蛙人识别、混响中目标识别等。2007年，文献[3]中的英国赫瑞瓦特大学CHRIS教授等利用仿宽吻海豚宽带声呐信号进行海底地貌观测，并将仿海豚的click信号与侧扫声呐结合，完成了海底掩埋线缆的探测任务。2015年，美国SpeakDolphin项目组利用水下传声器接收的海豚声呐信号，得到了潜水员的模糊轮廓[4]。近些年，国内也开展了一些海豚仿生应用，包括将海豚whistle信号用于隐蔽水声通信技术[5-6]，还有一些仿海豚click信号分析，click信号目标回波分析等[7-9]，在这些仿生应用中，采用的海豚发声信号主要是通过查阅文献仿真或下载网络上经降采样处理后的信号，这些信号有可能畸变较大，给仿生分析结果带来不利。国内对海豚click信号测量记录方面，因受测试系统的频带、实验条件和方法限制，有一些相关记录[10-11]，准确长期的观测记录依然较为缺乏。本文借助于厦门火烧屿的两只瓶鼻海豚，通过开展适应性训练、寻找目标实验，记录了大量瓶鼻海豚在水池中狭窄水道里寻找近距离目标的轴向click信号数据，并展开分析。

1 瓶鼻海豚Click信号记录

1.1 实验海豚及方法

2017年09月～2018年02月，对厦门火烧屿的两只瓶鼻海豚的发声进行现场记录，每次记录时间大约在4 h，共记录10次80段(每段约3 min)原始发声数据。两只瓶鼻海豚分别为中年雄豚(M1)、中年雄豚(Y2)，实验期间海豚的基本情况如表1所示。

表1 两只瓶鼻海豚基本情况

1.2 实验系统的构建

这两只瓶鼻海豚在自然环境、自由游泳状态下的click信号，在2011年已经进行过观测和记录[10]，2017年它们被移入新的圆形2#水池环境，水池直径为5 m，深度为3 m，水池右方有个狭长过道，宽1.2 m，长2 m，深3 m。对于新的环境，首先开展适应性训练，然后将其引入狭长过道，进行寻找目标实验。构建的实验系统和实验现场情况如图1所示。

图1中目标分别位于距离水听器0.5 m和1 m处，目标深度与水听器深度一致，均为水下0.5 m。目标1为铜球，直径有5、10 cm两种；目标2为橡皮球，直径为5、10、15 cm三种。经过训练后的海豚头部位于水听器前1 m的方框中，方框的上沿深度也为水下0.5 m左右，尽量使水听器接收到海豚发出的轴向click信号。

本实验采用的水听器为Reson公司的全方向性水听器TC 4014(含前置放大)。TC 4014线性频率响应范围为25 Hz～250 kHz(±3 dB)，灵敏度为(–186±3) dB re: 1 V/μPa。水听器与Reson公司的高通滤波放大器VP1000相连。VP1000具有6档可调增益，范围为0～32 dB，12档高通滤波，范围为0.1 Hz～50 kHz。模数(A/D)转换采集设备为NI公司的高频采集卡USB 6251。USB 6251具有16个输入通道，单通道最高采样率为1.25 MHz，转换位数16 bits，量程±10 V。存储设备为Lenovo公司的笔记本电脑Thinkpad W530。

图1 实验现场示意

水听器接收到信号后，经由滤波放大器，通过A/D转换采集设备将模拟信号转换成数字信号，储存在电脑硬盘上。本实验中采用单通道测量，采样率设置为500 kHz，滤波放大器低频截止频率设置为1 kHz，增益设置为26 dB。采集过程由Labview软件编写的程序进行控制。

1.3 数据分析方法

2 实验结果及分析

2.1 瓶鼻海豚click信号的时域波形

水池记录的瓶鼻海豚click信号(图2)与其它海豚的一样，通常以一簇一簇的脉冲序列形式出现，可以应用Adobe Audition软件或Matalab软件对记录的波形进行查看，如图2(a)所示。在水池实验中，取出一段记录时间为0.09 s的click信号序列波形进行查看(图2(a))，再取单个波形，放大后如图2(c)所示，其相应的频谱如图2(d)所示；2011年在自然环境下记录时间3 s内click信号序列波形[10]如图2(b)所示。

红骷髅占据了原来往生塔的位置，往生塔的大门，便是此时它的大口。天葬师闭着眼睛，站在它的口中，心口的位置，有一道刀刃留下的伤口，一缕鲜血从中流出，却转眼消散在了周围的空气中。

(a) 水池中记录的click序列