鲸豚动物吸附式声学行为记录器综述

1、 鲸豚动物吸附式声学行为记录器综述 刘凇佐 ,王蕴聪 ,青 昕 ,段 悦 ,孙鹏楠 ,殷敬伟 ,乔 钢 *(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室,黑龙江 哈尔滨,150001;2.工业和信息化部,海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学),黑龙江 哈尔滨,150001;3.哈尔滨工程大学 水声工程学院,黑龙江 哈尔滨,150001;4.中山大学 海洋工程与技术学院,广东 珠海,519082)0 引言鲸豚动物广泛分布于海洋中,目前全世界被发现的鲸目动物已有90 余种1。鲸豚动物可利用声信号进行交流、觅食、躲避天敌与感知环境。例如: 齿鲸发出的回声定位信号具有宽频带、窄波束等特性,与下颌处的接收系统构成了一套功能强大的生物声呐系统,实现水下回声定位探测觅食功能;座头鲸通过制造螺旋气泡网产生声学屏障“围捕”鱼群;具有群居属性的鲸豚利用不同频率的调频式哨叫声信号,实现群体间的通信交流2-4。研究鲸豚动物声呐可为改进人造声呐系统提供参考与灵感5-6。此外,基于对鲸豚动物生命活动、栖息分布、生理结构的探索与认知,相关研究成果可广泛应用于海洋观测、仿生通信探测、潜水及渔业活动、生态环境保

2、护以及神经医学等领域7。目前,对于野外自由状态的鲸豚动物,主要是通过目视或定点布放水下录音设备等方式研究生物声学行为8-10,如Greeneridge 公司与希尔科普能源公司通过使用自主定向海底声学记录仪(directional autonomous seafloor acoustic recorder,DASAR)对弓头鲸受石油开采噪声影响的迁移行为开展了研究11。针对大型鲸豚动物,研究人员常使用远距离声学记录方式进行观测,例如声呐浮标、拖曳式水听器线列阵以及海底固定监听设备12。这些记录可以用来研究特定目标生物的行为规律、分布丰度、叫声信号类型以及声学参数等13-14。但这种固定式的观测方法跟踪距离有限,并且当研究个体背向录音设备或游离设备监听范围时,则难以持续跟踪观测鲸豚动物,无法获取其全面的声学和行为信息15。对于圈养的鲸豚动物,在圈养条件下的奖惩机制和各类训练方法的帮助下,鲸豚动物与饲养员可以建立合作关系,这有助于在圈养环境中布放各类监测设备16。但在圈养环境下的研究结果与野生环境存在较大的差异,诸如陌生环境感知、大规模迁徙、合作捕食、种群内部与群间社交、深潜活动以及跨物种社

3、交等相关研究无法在有限的圈养条件下开展。以上声学观测方法存在目标鲸豚跟踪困难、有效数据量少、信噪比不足、不确定性大以及数据源单一等问题。因此,鲸豚动物研究领域需要一种能够与目标建立稳定观测关系,且能获取多源数据的观测设备12,17-18。为此,研究者们设计并开发了一种针对海洋鲸豚动物的小型吸附式声学行为数据记录器17,19(也称为声学标签20-21)。这种记录器装有多源传感器,集成了水听器、加速度计、全球定位系统(global positioning system,GPS)、陀螺仪、磁力计、压力传感器和温度传感器等,可吸附在鲸豚动物体表,以实现对鲸豚音频、运动和生理等数据的同步采集和记录,并自主储存在设备内。吸附式声学行为记录器具有流线型的耐压壳体,能够减小鲸豚游动时产生的水阻,同时抵抗由于鲸豚强大潜水能力带来的压力,在壳体底部采用吸盘将设备附着于鲸豚皮肤表面,当记录任务结束后,吸盘可由设备自主控制释放,以实现设备的回收。吸附式声学行为记录器整体设计如图1 所示。图1 吸附式声学行为记录器整体设计Fig.1 Overall design of the attached acoustic

4、 behavior recorder由于鲸豚动物发声的频带很宽,记录器的存储容量有限,因此常对录制到的声学信号做无损压缩处理。非声学传感器数据作为生物行为和生理研究的重要依据,在后置处理中需要与声学数据进行时间同步。通过惯性导航算法、粒子滤波算法等处理加速度计、GPS 信号、压力计等传感器的信号,并重构目标生物运动状态以及航迹。此外,由于鲸豚动物声学信号相对时长非常短暂,且出现频率低,针对鲸豚动物叫声的自动检测和提取算法,如基于深度学习的叫声分类和提取算法等,也是重要的后置数据分析步骤。如图2 所示,吸附式声学行为记录器附着于鲸豚动物皮肤上,实现对各类行为和声学信息的记录,它在鲸豚动物研究中扮演着非常重要角色。自1999 年Johnson 等设计出了第一代被称为DTAG17的设备以来,研究人员设计的多种版本的吸附式声学行为记录器正广泛应用到对鲸豚社交行为、生理活动和发声能力,甚至更广义的生物学、生态学和声学研究之中22-25。图2 工作中的鲸豚动物吸附式声学行为记录器Fig.2 Working attached acoustic behavior recorder for cetace

5、ans吸附式声学行为记录器的应用覆盖了海洋生物声学研究领域的6 个具体研究方向7:1) 鲸豚动物声呐和声音的产生机理研究;2) 野外鲸豚动物的捕猎和运动行为学研究;3) 通过声学信息对潜水呼吸器官的生理学原理研究;4) 鲸豚动物的声音交流和行为生态学研究;5) 人为噪音对鲸豚动物的影响研究;6) 鲸豚动物被动声学监测研究。目前参与鲸豚动物声学行为记录器开发和应用的研究机构主要有圣安德鲁斯大学生物学院生物声学行为记录团队、苏格兰海洋研究所海洋哺乳动物研究部门、加尔文学院数理统计系、圣安德鲁斯大学生态与环境建模研究中心与杜克大学海洋实验室等26-27,美国海军研究办公室为这些研究机构提供了财政支持。随着越来越多的机构和企业投入到了对声学行为记录器的开发和研究之中。吸附式声学记录器版本仍在不断更新,总体发展趋势呈现小型化、长期化、多功能化和无害化,其外形也在不断更迭。文中详细介绍了鲸豚动物吸附式声学行为记录器的系统设计、后置数据处理算法及常见应用场景,对国内外不同版本的声学行为记录器进行比较,分析这类设备能够解决的问题与面临的瓶颈挑战,并提出发展方向。1 鲸豚动物吸附式声学行为记录器系统设计

6、鲸豚动物吸附式声学行为记录器尺寸一般为25 cm 左右,是一种小型信号记录设备,可以对鲸豚动物进行多源数据的贴身采集17-18。在使用时,通过专门的设备将记录器安装到鲸豚动物体表,记录器通过底部的吸盘或其他附着设备与鲸豚建立牢固连接。随后,记录器通过水听器对鲸豚动物进行长时间的录音,同时通过内部的姿态、运动、温度和压力等多种传感器记录鲸豚动物的状态数据,并存储在设备内部的闪存中。当设备电量耗尽、内部存储空间耗尽或者达到了事先设定工作时长后,设备将从目标体表脱离并浮出水面,同时主动发射无线电信号告知自身位置。吸附式声学行为记录器具有流线型外部形状,安装有1 个或多个高频带水听器记录鲸豚动物叫声信号,底部根据附着能力需求的不同,安装有14 个亲肤材质吸盘,尾部为低密度的大浮力材质,且安装有信标天线以实现脱离生物后的回收。1.1 适配鲸豚水动力学特征的壳体设计总体来看,已有的几代声学记录器其流线型外形设计都遵循以下原则: 1) 降低水阻,减少流噪声;2) 产生一定的下压力;3) 使鲸豚动物感到舒适。使用鲸豚动物吸附式声学行为记录器时,如果附着不紧密将导致记录器在鲸豚体表产生相对移动,这些相对

7、移动在运动数据分析中表现为重现轨迹和姿态时的误差。这种误差将掩盖小尺度的运动,如游泳过程中的起伏与小幅度的转向等。鲸豚动物快速游动为记录器带来了大量的水动力干扰,这可能会使得设备提前脱离,因此需要多个吸盘固定以减少记录器在鲸豚体表的相对运动28-29。考虑到鲸豚最高可达80 km/h 的游泳速度与强大的变速、变向能力30,有必要通过改良记录器壳体的流线型、引入流体动力学设计,来减少记录器带来的阻力,同时产生使得记录器贴紧鲸豚体表的下压力。Shorter 等28通过计算流体力学的方式模拟了3 种不同外形的记录器(如图3 所示)在一系列不同方向水流冲击下的流体动力载荷(如图4 所示),水槽验证结果显示,良好的流线型设计能使设备获得足够的下压力,能够在10 m/s 的相对流速下保持附着不会失效。图3 3 种不同外形记录器设计图(单位: mm)Fig.3 Design drawings of three different shape recorders除了流线型外,记录器的外壳还应当具有一定的耐压能力。有数据表明31-32,抹香鲸的最大下潜深度约为2 km,此时对应的静水压力超过20 MPa

8、,因此壳体面临的抗压能力十分重要。以应用最广泛的DTAG 记录器为例,该记录器的壳体为热成型聚乙烯材质,舱内的电路板被密封在环氧树脂中以平衡内外压力。1.2 超低功耗多源数据记录存储系统鲸豚动物声学行为记录器的首要功能是记录声音信号。水下的声电信号转换通过水听器进行,这是一种由压电陶瓷制成的圆柱体或球体传感器,置于记录器的前端。记录器的头尾朝向与鲸豚的头尾方向一致,能够有效避免由于自身遮蔽造成的接收声压级下降。水听器的灵敏度与其直径成正比,高灵敏度的水听器甚至能够检测到低于前置放大电路本底噪声的微弱声音。但与目标声信号的波长相比,水听器的尺寸又必须足够小才能实现全指向性,这对水听器灵敏度上限提出了要求。压电水听器是电容性的,这一特性与前置放大器的输入电阻一起决定了记录器的低频响应。较薄的水听器有更好的低频响应,但往往耐压性较差。由于环境中的瞬态声音能量较高,低频段的灵敏度过大可能导致采集电路过载。在设计鲸豚动物吸附式声学记录器时,应综合考虑这些因素,适配于特定的目标物种33。若单纯记录声学信号会缺少发声时的环境信息和运动状态,作为补充,记录器内部还配备有压力传感器、陀螺仪、磁力计、加速

9、度计、温度计、盐度计、心电传感器以及GPS 等其他传感器,以获取被标记生物的生理活动状态及其所处环境: 通过压力传感器可获取鲸豚动物的潜水深度;通过陀螺仪、磁场测量计以及加速度计的数据可以获得目标鲸豚当前的运动状态与朝向,通过惯性导航可对其游弋路径进行跟踪;通过温度计和盐度计能够获取当前所处海洋环境信息;心电传感器能够实时监测生物的生物电与心率频次34-37,这在一定程度上反映了鲸豚动物的心理状态。上述非声学信号的采样频率远低于声学信号的采样频率,当对声学信号进行处理时,利用非声学数据可以实时恢复出发声时段的全息场景,进一步支撑开展相应的研究。除了上述常见的传感器外,部分研究中还会集成其他传感器,例如: 磁场传感器可以用来配合鲸豚动物下颌处固定磁力材料的实验,以记录口腔的张合次数;光强传感器可以用来研究鲸豚动物行为与光照水平的关系;pH 值感受器和浊度感受器可用来衡量水体指标等。通常鲸豚动物声学行为记录器中包括控制器和数字信号处理器(digital signal processor,DSP)。微控制器负责协同整个设备的传感器运行,保证数据采样是连续且不发生冲突;低功耗的DSP 用来对音频信号进行实时滤波与压缩。Johnson 和Tyack 最初设计的DTAG 记录器只有400 MB 的存储空间,同时具备一个0.5 MB/s的红外接口来对设备进行配置。在前文提到的压电陶瓷水听器的后端由前置放大器、抗混叠滤波器与模拟数字转换器(analog to digital converter,ADC)构成。动态范围是声学记录器的一个重要参数。记录器的动态范围定义为在不失真情况下能够录制到的最大幅值的声信号电平与宽带系统的本底噪声之间的分贝差异,根据动态范围可以确定表示每次采样样本的位数,而记录器需要较高的动态范围来同时捕捉当前附着鲸豚动物的发声与远处动物的音频信号。最早的DTAG 使用12 位的ADC,其采样率由程序控制,可在2200 kHz 之间调节,当前置增益设置为12 dB 时,其动态范围从

《鲸豚动物吸附式声学行为记录器综述》由会员杨***分享，可在线阅读，更多相关《鲸豚动物吸附式声学行为记录器综述》请在金锄头文库上搜索。