CN115792808A - 走航式海豚野外声学调查系统、调查和定位计算方法 - Google Patents

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薛睿超
牛富强
陈本清
杨燕明
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Abstract

本发明涉及一种走航式海豚野外声学调查系统、调查和定位计算方法，属于海洋哺乳动物声学领域，所述系统包括调查船、双拖曳阵和数据采集系统；调查船的一边通过拖拽绳连接三元水听器阵，另一边通过拖拽绳连接单元水听器阵；所述数据采集系统包括控制中心和数据电缆；控制中心设置在调查船上，数据电缆一端连接水听器阵，另一端连接控制中心。本发明还提供利用所述调查系统进行调查的方法和获得调查数据后进行定位计算方法。本发明采取走航式作业和双阵拖曳的方式，有效解决目标丢失和左右弦模糊问题。测量信号经过分析处理，可发现隐藏在水下的活动目标，并通过对海豚进行水下声学定位，有效判断海豚的方位和距离。

Description

走航式海豚野外声学调查系统、调查和定位计算方法
技术领域
本发明属于水声信号处理领域，具体地涉及一种走航式海豚野外声学调查系统、调查和和定位计算方法。
背景技术
海豚野外调查通常采用视觉调查方法，需要调查船只、调查人员沿一定路线行驶，照相识别所有观察到的动物，但易受天气、夜晚以及调查人员的注意力等条件限制，且容易漏掉水下活动的目标。利用声学手段可以有效探测到水下活动的海豚。但声学测量需要停船并关闭发动机，这与视觉调查需要船舶保持移动跟踪海豚的技术要求是相矛盾的。另外，调查需要对海豚的距离和方位进行估计，但往往不准确，使后续数据处理产生误差。
在海上开展视觉调查法多受限于物种特性、调查海域地形以及航运等客观因素的影响，调查成本很高，需要训练有素的观察员和昂贵的调查工具(船舶、相机、无人机等)才能在条件恶劣的野外环境中长时间开展。相关调查往往需要耗费研究人员大量时间在海上观察，且对恶劣天气条件(如大风、起雾等)、夜晚，以及常期在水下活动的物种都缺少应对措施。这些困素使得视觉调查具有很大的不确定性。
声学调查手段可在很大程度上弥补了视觉调查的缺陷，目前常使用的调查方法有两种。一是被动声学监测调查。即通过浮标或者潜标的形式，对固定海域进行长期声学监测。优点是不需要过多的人工干预；但由于目前的监测技术和硬件条件还不够成熟，导致监测范围有限，记录到的信号质量、数量都无法保证，受海域条件限制大。二是跟船调查。即在视觉调查的同时开展声学调查，发现海豚后，下放声学记录设备。优点是可以近距离记录海豚的发声信号，缺点是需要停船测量，导致无法跟踪海豚，容易造成目标丢失。
发明内容
本发明提出一种走航式的野外海豚声学调查系统和方法，改变以往调查过程中遇到海豚后需要停船测量的测量方式，采取走航式作业，实现视觉调查和声学调查同时开展的目的。通过双阵拖曳的方式，有效解决目标丢失和左右弦模糊问题。测量数据经过信号提取，可发现隐藏在水下的活动目标。通过对海豚进行水下声学定位，有效判断海豚的方位和距离。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种走航式海豚野外声学调查系统，所述系统包括调查船、双拖曳阵和数据采集系统；所述双拖曳阵包括一条三元水听器阵和一条单元水听器阵；在调查船的左右两弦后方通过拖曳绳进行双边拖曳，调查船的一边通过拖曳绳连接三元水听器阵，另一边通过拖曳绳连接单元水听器阵；三元水听器阵的阵元间应使用硬连接以保证水听器间距固定；
所述数据采集系统包括控制中心和数据电缆；控制中心设置在调查船上，包括控制软件和数据采集卡，数据电缆一端连接水听器阵，另一端连接控制中心，所有水听器采集数据由数据采集卡处理，实现同步采集。
进一步，在拖绳上绑缚包括浮球和重块在内的配件，航行时通过调整重力和船速使拖曳阵尽量保持与水面水平的姿态，并且应尽量保持船速稳定，避免时快时慢。
进一步，同时为了准确获取相关位置参数以及判断水下姿态，可在阵元处绑缚水深记录仪和GPS定位系统。
本发明还提供利用所述系统进行走航式海豚野外声学调查方法，所述方法为在开展海豚野外调查时，利用本发明的声学调查系统开展声学调查有两种方式，一种是所述系统调查全程在水下采集信号。另一种是开始调查后，调查船按照视觉调查法设计的航线行驶；未发现海豚时，声学调查系统可放置于调查船上，发现海豚后，下放声学调查系统到水中，并通过甲板上的控制软件和数据采集卡开始采集信号；同时，调查船按照视觉调查方法的要求追踪海豚；结束调查后可通过控制软件停止采集并回收声学调查系统。两种调查方式系统工作期间都应尽可能保证船速在5节以下并保持稳定(速度过快拖曳阵的水下姿态无法稳定)。
本发明还提供利用所述系统的对海豚定位的方法，利用所述调查方法获得的调查数据进行海豚定位计算，计算方法包括距离估计和方位估计；所述的距离估计：通过单边三元水听器阵获取根据海豚发声位置到同边三个水听器的时延差进行计算；所述的方位估计：根据信号到达左右两个中心阵元的时间差判断方位角。
进一步，在调查过程中，水听器应保持位于水下。
进一步，在调查过程中，避免水流直接冲击水听器。
进一步，在调查过程中，调查船船速保持稳定，且不超过5节。
本发明与现有技术相比的有益效果：
现有的海豚野外调查方法一般只开展视觉调查(照片、视频)，对海豚的声音资料记录尚有很大欠缺。仅开展的少量声学调查一般与视觉调查同时开展，但视觉调查和声学调查的技术要求不同，视觉调查要求遇见海豚后继续跟踪，而声学调查需要调查船停船并关闭发动机，下放记录设备进行记录。由于海豚很少待在原地活动，所以造成了进行声音记录时海豚目标丢失，视觉调查也被迫中断。另外，移动式声学调查发现海豚的数量远多于视觉调查，可有效提高调查结果的可靠性。视觉调查记录的海豚位置信息存在人为判断的误差，本方法通过水下定位技术使结果更准确。
本发明通过走航的方式开展海豚野外声学调查，在追踪海豚时，无需为了记录声信号而停船或关闭发动机，可实现在不影响视觉调查的前提下开展声学调查，在调查船后方拖曳(不少于10米)水听器降低了调查船自身噪声对测量结果的影响，达到海豚声信号采集和照片视频资料同步采集的效果。避免了以往声学调查时需要停船测量造成海豚游远、目标丢失的问题；且声学调查获取的数据资料一方面是野外海豚发声资料的有效补充，另一方面，可以发现视觉观察无法发现的水下活动目标。通过对测量水听器阵的信号处理，根据海豚声信号到达不同阵元的时延数据以及阵元间的位置关系可有效估计海豚发声位置与水听器的相对距离和方位角。有效弥补视觉调查对目标距离、方位估计不准的问题。
附图说明
图1为声学调查系统结构示意图；
图2为海豚距离估计计算原理图；
图3为海豚方位估计计算原理图；
图4为3元阵采集的原始数据经过滤波后获取的时域波形图；
图5为图4数据经过信噪比方法处理后的结果图；
图6为图5单一信号时间段的放大图；
图7为左右拖曳阵同一信号的时域图。
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
实施例1
一种走航式海豚野外声学调查系统，如图1所示，所述系统包括调查船、三元水听器阵、单元水听器阵、数据采集系统、水深记录仪和GPS定位系统；
调查船为海豚野外调查常使用的普通渔船，本实施例所用小型调查船长度18m，调查船的左右两弦后方10m处进行双边拖曳，右边是三元水听器阵，左边是单元水听器阵；三元水听器阵的阵元间使用硬连接，以保持阵元间距以及相对位置在稳定的状态下接收信号；其中，三元水听器阵的功能是估计海豚与采集单元的距离。使用两条拖曳阵的原因：解决左右弦模糊问题；
所述数据采集系统包括控制中心和数据电缆；控制中心设置在调查船上，包括控制软件和数据采集卡，数据电缆一端连接水听器陈，另一端连接控制中心，所有水听器采集的数据由数据采集卡处理，实现同步采集。
在拖绳上绑缚包括浮球和重块在内的配件，航行时通过调整重力和船速使拖曳阵尽量保持与水面水平的姿态，并且应尽量保持船速稳定，避免时快时慢。
同时为了准确获取相关位置参数，在阵元处绑缚水深记录仪和GPS定位系统。
利用所述系统进行走航式海豚野外声学调查方法，按图1的方式开展野外海豚声学调查。
第一步，在调查过程中应注意水流噪声是最重要的干扰，应采取有效措施降低水流噪声。可采取包括以下几个措施：
(1)调查过程中水听器应保持位于水下0.5m；
(2)采取导流措施，避免水流直接冲击水听器；
(3)船速不宜超过5节，本实施例为5节；
(4)尽量保持船速稳定。
第二步，通过滤波、平滑、阈值等手段对背景噪声进行降噪处理；
第三步，提取海豚的回声定位信号(click)，并确定每个阵元信号的到达时间；
第四步，获取水听器阵元间距、拖曳距离、左右弦距离、GPS数据、水深数据等计算以及相关记录参数；
第五步，根据图2、图3的计算方法估计目标的距离和方位信息。为提高计算的准确性，可采取以下措施：
(1)三元阵水听器间距应保持稳定，使用钢性连接；
(2)每条拖阵上应有GPS和水深测量设备，以便后续核实拖曳阵的水下姿态，保证数据的有效性。
所述的估计距离：通过数据处理分析，可实现对海豚的距离和方法的有效估计。其中，距离估计通过单边三元水听器阵获取根据海豚发声位置到同边三个水听器的时延差进行计算。
具体计算原理如下：野外调查遇见海豚时，一般以侧弦面对海豚出现的方向，以拖绳方向为y轴，中间阵元所在位置为原点，建立坐标系，如图2所示，其中阵元间距为a，求解目标为r1。
根据图中几何关系，可得：
r1 2sin2θ+(a+r1cosθ)2＝(r1+Δr3)2 (1)
r1 2sin2θ+(a-r1cosθ)2＝(r1+Δr2)2 (2)
联立式(1)和(2)，可得：
Figure BDA0003977733200000061
式(1)(2)(3)中，Δr2为中心水听器与下方水听器之间的距离差，Δr3为中心水听器与上方水听器之间的距离差。代入可求得：
Figure BDA0003977733200000062
所述的方位估计：根据信号到达左右两个阵元时间差判断方位角。
使用双拖曳阵有两个目的，一是可以根据时延差大小判断左右弦模糊问题；二是根据信号到达左右两个阵元时间差可以判断方位角。
计算原理如下图所示，取右弦拖阵(三阵元)的中心阵元所在位置为A1点，左弦拖阵单阵元所在位置为A2点。两个阵元相距距离L，海豚所在位置方位角为β。
海豚声信号到达两阵元的时间差为△t，则由图中几何关系可得：
a2+(d+L)2＝R1 2(5)
a2+d2＝R2 2(6)
Figure BDA0003977733200000071
联立(5)～(7)式，可得：
R1 2＝R2 2+2R2Lcosβ+L2(8)
想要求解方位角β，则变换方程形式为：
Figure BDA0003977733200000072
已知海豚发声位置到两个中心水听器的距离差为△R，且有：
ΔR＝R1-R2＝cΔt(10)
(9)式代入(10)式，得：
Figure BDA0003977733200000073
易知(11)式右边第二项分母远大于分子，可忽略，化简得：
Figure BDA0003977733200000074
第六步，根据第五步的计算结果结合GPS信息进行计算，得到海豚发声的绝对坐标。
距离计算例
以图4～图6为例子进行说明。图4为3元阵采集的原始数据经过滤波后的结果。图4包含3个通道的数据叠加，由于时域上位置十分接近，只显示出一个脉冲信号，事实上每个脉冲位置都有3个脉冲信号。
为了进行计算，对数据进行信噪比方法处理，以峰值时间为信号的到达时间，并用小圆球表示到达时间，如图5所示。可见，由于接收角度不同，部分信号的强弱幅度已有区分。
进一步放大图5，如图6所示，显示0.3296～0.3308时间段的数据，可以明显观察到3个通道的数据间的前后到达关系并根据信号峰值获取到达时间。以图示数据(到达时间分别为0.32983，0.32992，0.33040)代入公式(1)～(4)计算，本例中三元阵水听器间距为2m，可得距离值为6.379m。
方位角计算
数据处理方法与距离计算类似，根据三元阵中心阵元以及单元阵的信号数据，获取到达时间差。
图7为图5所示的同一信号到达右弦(三元阵)中心阵元以及左弦(单元阵)阵元的到达时间，可以明显观察到2个通道的数据间的前后到达关系并根据信号峰值获取到达时间。以图7所示数据(到达时间右弦阵元0.32992，左弦阵元0.33010)，阵元间距3米，代入公式(12)计算可得方位角为84°。
综合以上计算结果，海豚水下定位结果为靠近右弦，距拖曳阵中心阵元6.379m，方位角84°的位置，与现场观察记录基本一致。

Claims (7)

1.一种走航式海豚野外声学调查系统，其特征在于，所述系统包括调查船、双拖曳阵和数据采集系统；所述双拖曳阵包括一条三元水听器阵和一条单元水听器阵；在调查船的左右两弦后方通过拖曳绳进行双边拖曳，调查船的一边通过拖曳绳连接三元水听器阵，另一边通过拖曳绳连接单元水听器阵；三元水听器阵的阵元间应使用硬连接以保证间距固定；
所述数据采集系统包括控制中心和数据电缆；控制中心设置在调查船上，包括控制软件和数据采集卡，数据电缆一端连接水听器阵，另一端连接控制中心，所有水听器采集数据由数据采集卡处理，实现同步采集。
2.根据权利要求1一种走航式海豚野外声学调查系统，其特征在于，在拖绳上绑缚包括浮球和重块在内的配件，航行时通过调整重力和船速使拖曳阵尽量保持与水面水平的姿态，并且应尽量保持船速稳定，避免时快时慢。
3.根据权利要求1一种走航式海豚野外声学调查系统，其特征在于，同时为了准确获取相关位置参数以及判断水下姿态，可在阵元处绑缚水深记录仪和GPS定位系统。
4.利用权利要求1-3任何一项所述系统进行走航式海豚野外声学调查方法，其特征在于，所述方法为在开展海豚野外调查时有两种方式，一种是所述系统调查全程在水下采集信号；另一种是开始调查后，调查船按照视觉调查法设计的航线行驶；未发现海豚时，声学调查系统放置于调查船上，发现海豚后，下放声学调查系统到水中，并通过甲板上的控制软件和数据采集卡开始采集信号；同时，调查船按照视觉调查方法的要求追踪海豚；结束调查后通过控制软件停止采集并回收声学调查系统；两种调查方式系统工作期间都应保证船速在5节以下并保持稳定。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在调查过程中，水听器应保持位于水下。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在调查过程中，使用导流措施避免水流直接冲击水听器。
7.一种海豚定位的计算方法，其特征在于，利用权利要求5所述调查方法获得调查数据后进行海豚定位的计算，计算方法包括距离估计和方位估计；所述的距离估计：通过单边三元水听器阵获取根据海豚发声位置到同边三个水听器的时延差进行计算；所述的方位估计：根据信号到达三元水听器阵和单元水听器阵中心阵元的时间差判断方位角。
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CN117031402A (zh) * 2023-10-10 2023-11-10 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法

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