齒鯨生物聲吶目標(biāo)探測研究綜述*

宋忠長 張金虎 馮文 楊武夷 張宇?

1) (廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361005)

2) (廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361005)

齒鯨依靠其天然的聲吶系統(tǒng)進(jìn)行水下目標(biāo)探測.齒鯨通過前額的聲發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出超聲脈沖, 經(jīng)聲阻抗各異的聲學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控形成波束, 作用于目標(biāo), 利用下頜區(qū)域的多相聲接收通道接收目標(biāo)回波.齒鯨通過分析目標(biāo)回波中蘊(yùn)含的時(shí)域、頻域與能量等多維度信息, 并進(jìn)行非線性組合, 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測與辨別.齒鯨目標(biāo)探測過程蘊(yùn)藏復(fù)雜的物理機(jī)理.本文以目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)測量、目標(biāo)回波散射分析與仿齒鯨聲吶系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn), 回溯齒鯨聲吶目標(biāo)探測的相關(guān)研究.齒鯨在目標(biāo)探測過程中, 會根據(jù)目標(biāo)強(qiáng)度、回波的時(shí)頻信息, 自適應(yīng)調(diào)整其聲發(fā)射脈沖頻率、發(fā)射系統(tǒng)幾何形態(tài), 實(shí)現(xiàn)高效探測, 是優(yōu)越的水聲探測系統(tǒng).參考齒鯨聲吶設(shè)計(jì)人工探測系統(tǒng)可獲取多維度的聲場信息, 與生物實(shí)驗(yàn)測量相輔相成, 加深對生物多相介質(zhì)中的聲發(fā)射與聲接收過程的理解,豐富齒鯨目標(biāo)探測物理機(jī)理認(rèn)知, 為人工仿生聲探測技術(shù)的發(fā)展與仿生水下裝置設(shè)計(jì)提供新參考.

1 引 言

水下目標(biāo)探測研究具有重要的實(shí)用價(jià)值, 聲波是當(dāng)前水聲探測的主要手段[1,2].自然界中存在天然的、高效的水聲聲吶系統(tǒng)—齒鯨生物聲吶[3-13].齒鯨聲吶主要由兩部分組成: 位于頭部前額的聲發(fā)射系統(tǒng)以及位于頭部下頜區(qū)域的聲接收系統(tǒng)[4,14-17].在目標(biāo)探測過程中, 齒鯨通過聲源發(fā)出超聲脈沖,經(jīng)由前額軟組織結(jié)構(gòu)、鼻道結(jié)構(gòu)、氣囊系統(tǒng)與上頜骨調(diào)制形成聲波束, 作用于目標(biāo)[14,18-21], 產(chǎn)生回波.齒鯨能利用目標(biāo)回波的時(shí)域、頻域以及能量等多維度信息分辨目標(biāo)[22,23].齒鯨的目標(biāo)探測過程是動態(tài)的, 目標(biāo)回波信息能反饋于聲發(fā)射.齒鯨能針對目標(biāo)特性以及距離, 自適應(yīng)調(diào)控超聲脈沖頻率與間隔[24-35], 并利用目標(biāo)之間尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)與材質(zhì)作為判別標(biāo)準(zhǔn), 進(jìn)行辨別[31-33].Kellogg[36]在1958年開展研究, 發(fā)現(xiàn)寬吻海豚能通過發(fā)出超聲脈沖判別魚的尺寸, 從而擇優(yōu)選取食物, 證明了其目標(biāo)辨別能力.寬吻海豚屬于齒鯨亞目下的海豚科, 該科目還包含真海豚、中華白海豚、虎鯨等生物, 均具備生物聲吶與目標(biāo)探測能力.此后, 研究人員開展了一系列齒鯨目標(biāo)探測研究[7,8,27-34,37-41], 發(fā)現(xiàn)齒鯨的探測效率與目標(biāo)的材質(zhì)、尺寸均相關(guān).齒鯨雖能區(qū)分尺寸各異的目標(biāo), 但具有特定的閾值范圍, 目標(biāo)尺寸過小會影響齒鯨的目標(biāo)探測效率[37-39].Evans和Powell[37]在1967年發(fā)現(xiàn), 以75%檢測準(zhǔn)確率為標(biāo)準(zhǔn), 海豚能區(qū)分厚度分別為0.22, 0.32與0.64 cm的銅盤.當(dāng)銅的厚度調(diào)整為0.22, 0.27與0.16 cm時(shí), 海豚便很難再分辨這3個(gè)厚度不同的圓盤.當(dāng)探測目標(biāo)置換為鋼制圓殼時(shí), 同樣檢測率標(biāo)準(zhǔn)下,海豚的探測精度會降低[41], 充分說明了材質(zhì)、形狀等因素會影響齒鯨的辨別能力.

齒鯨在目標(biāo)探測過程中探測聲阻抗不同的目標(biāo)時(shí), 產(chǎn)生的回波的強(qiáng)度與時(shí)頻特性均存在差異[12,42-46], 可以作為齒鯨區(qū)分不同目標(biāo)的參考信息[10,31,46,47].Palihas等[9]利用仿生聲吶信號進(jìn)行目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)的圓柱殼回波頻譜特性有所差異, 可用于目標(biāo)辨別.Bel’kovich和Borisov[43]研究表明海豚能區(qū)分外形一致, 而內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異的目標(biāo).齒鯨的回聲定位脈沖擁有一定的頻率分辨率[48], Au和Pawloski[49]發(fā)現(xiàn)海豚能夠辨別振蕩的噪聲頻譜與非振蕩的噪聲頻譜, 但并未表明海豚是否利用該頻譜信息分辨目標(biāo).齒鯨在目標(biāo)探測過程中如何整合目標(biāo)回波的各個(gè)維度信息, 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)辨別還需后續(xù)研究[50-52].

齒鯨的目標(biāo)探測是一個(gè)動態(tài)的、復(fù)雜的過程,齒鯨自身的自適應(yīng)行為(如擺動頭部, 改變聲信號頻率與幾何形態(tài))雖豐富了研究內(nèi)容, 卻也在一定程度上為實(shí)驗(yàn)的可控性提出了挑戰(zhàn).為此, 可引入數(shù)值模型與人工設(shè)計(jì)從多角度研究齒鯨目標(biāo)探測過程.參考齒鯨的回聲定位脈沖的信號特征, 可構(gòu)造仿生超聲脈沖的函數(shù)表達(dá)式作為聲激勵(lì), 將其輸入仿齒鯨聲吶系統(tǒng)人工結(jié)構(gòu), 結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量完善對目標(biāo)探測物理機(jī)理的研究, 為人工聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考.

齒鯨的目標(biāo)探測就是一個(gè)應(yīng)用主動聲吶的過程.齒鯨在目標(biāo)探測過程中的環(huán)境參數(shù)(如噪聲強(qiáng)度)、目標(biāo)強(qiáng)度、以及其發(fā)出的聲吶信號的強(qiáng)度的變化均會直接影響探測效率, 過程如下式所示:

其中, DT為探測閾值, SL為齒鯨發(fā)出的超聲脈沖信號的聲源級, TL為傳播損失, TS為目標(biāo)強(qiáng)度,NL為環(huán)境噪聲級, DI為系統(tǒng)指向性指數(shù).本文從齒鯨生物動態(tài)探測、聲吶信號模型靜態(tài)探測與齒鯨聲吶物理模型出發(fā), 介紹了齒鯨目標(biāo)探測的物理過程.齒鯨能自適應(yīng)調(diào)控其聲吶信號, 作用于目標(biāo),分析回波中的時(shí)域、頻域及其組合而成的高階信息, 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測.本綜述可為繼續(xù)深入研究齒鯨目標(biāo)探測物理機(jī)理、設(shè)計(jì)新型探測系統(tǒng)提供一定參考.

2 齒鯨聲吶動態(tài)目標(biāo)探測研究概述

2.1 目標(biāo)探測效率與探測距離

由聲吶方程(1)可知, 若齒鯨的探測閾值(DT)是固定的, 則目標(biāo)強(qiáng)度的變化會影響探測距離, 目標(biāo)強(qiáng)度與材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與尺寸是相關(guān)的.Zaslavskiy等[53]以90%正確響應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn), 發(fā)現(xiàn)寬吻海豚對75 mm高的金屬圓柱探測距離可達(dá)11 m, 對115 mm高的塑料圓柱與木制圓柱的探測范圍則分別為7.3與6.8 m.目標(biāo)尺寸越大, 聲散射強(qiáng)度與目標(biāo)回波相應(yīng)增強(qiáng), 探測距離會相應(yīng)變長[54].材質(zhì)也會影響探測距離, 寬吻海豚對同一尺寸的橡膠、蠟制、鉛制與鋼制圓球的探測距離分別為5.9, 7.8,11.1 與12.4 m[41,55].Murchison等[56,57]在開放水域開展實(shí)驗(yàn), 評估距離對寬吻海豚探測目標(biāo)的影響, 結(jié)果表明隨著距離的增加, 海豚探測目標(biāo)的效率會降低.以海豚的50%探測正確響應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn), 寬吻海豚對2.54 cm直徑實(shí)心鋼球和7.62 cm直徑充水不銹鋼球體的探測范圍分別可達(dá)到72.3和76.6 m.Au和Snyder[58]利用重復(fù)實(shí)驗(yàn), 表明寬吻海豚在50%正確響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下的目標(biāo)探測范圍可至113 m, 指出Murchison等[56,57]的實(shí)驗(yàn)中可能受混響干擾, 即噪聲背景強(qiáng)度會影響探測距離.Au等[59]研究發(fā)現(xiàn)白鯨在噪聲增強(qiáng)時(shí)會變化其聲信號頻率與信號能量, 平衡噪聲影響.環(huán)境噪聲強(qiáng)度不僅會直接決定噪聲級NL的大小, 還會間接改變聲源級、聲接收指向性[60], 影響目標(biāo)探測過程.齒鯨目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)大多數(shù)以單目標(biāo)或者一定數(shù)量的目標(biāo)為基準(zhǔn), 而齒鯨在實(shí)際探測過程中, 遇到的目標(biāo)是多樣化的, 可能是單目標(biāo), 如大型魚類, 也可能是目標(biāo)群, 如魚群[46,61].目標(biāo)強(qiáng)度的改變會影響探測距離.Babkin等[54]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)寬吻海豚對單只魚的最遠(yuǎn)探測距離為9.8 m, 而對4000只魚組成的魚群的探測距離預(yù)估可達(dá)350 m[41].針對同一目標(biāo), 在特定范圍內(nèi), 距離不會顯著影響海豚的探測效率(圖1)[58], 當(dāng)距離超過一定范圍, 探測效率會降低.

圖1 寬吻海豚目標(biāo)探測準(zhǔn)確率隨距離的變化趨勢[58]Fig.1.Dolphin’s performance as a function of range[58].Reprinted with permission (RightsLink: https://s100.copyright.com/CustomerAdmin/PLF.jsp?ref=a66368f0-df92-40d7-b308-5da5b8b92324).

由此可知, 齒鯨的目標(biāo)探測是自適應(yīng)的.齒鯨在目標(biāo)探測過程中會依據(jù)實(shí)際情況調(diào)控其聲源級、聲信號頻率, 改變探測策略.如圖2所示, 鼠海豚在目標(biāo)探測過程中會調(diào)控超聲波束以及探測區(qū)域面積[24,34].靠近目標(biāo)過程中, 鼠海豚會改變超聲脈沖信號頻率與頭部幾何形態(tài), 調(diào)控聲波波束, 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)探測[24].齒鯨的目標(biāo)探測是一個(gè)復(fù)雜的物理過程, 涉及因素多, 與生物自身狀態(tài)、環(huán)境, 以及目標(biāo)強(qiáng)度均相關(guān).背景環(huán)境聲場的改變會直接或者間接改變聲吶方程中的許多參數(shù), 進(jìn)而改變齒鯨目標(biāo)探測過程.開展齒鯨目標(biāo)探測研究需要結(jié)合實(shí)際情況, 從多角度展開.

圖2 鼠海豚的聲波束隨目標(biāo)探測距離的變化趨勢[24]Fig.2.Approximate detection volume for a harbour porpoise tracking fish in a quiet environment and relative change in the size of ensonified area ahead of the porpoise as it approaches a target[24].Reprinted with permission(RightsLink: https://elifesciences.org/terms).

2.2 齒鯨聲吶目標(biāo)辨別

由聲吶方程(1)可知, 若其他參數(shù)固定, 則目標(biāo)強(qiáng)度與檢測域值存在關(guān)聯(lián), 從而影響齒鯨對不同目標(biāo)的辨別.目標(biāo)回波特性是由目標(biāo)物理特性決定的, 不同材質(zhì)目標(biāo)回波的時(shí)域、頻域特征均有所差異[13,22,28,37,62-66].圖3給出了寬帶脈沖聲信號作用于圓柱殼(外徑50 mm, 內(nèi)徑40 mm, 厚度10 mm)時(shí)得到的回波[66].時(shí)域、頻域結(jié)果均表明, 該目標(biāo)回波主要由兩部分組成, 鏡面反射波與彈性波.鏡面波與第一次彈性波之間的時(shí)差稱作TSP (time separation pitch), 齒鯨可利用TSP評估目標(biāo)厚度[8,13].Delong等[8]以及Au和Pawloski[13]訓(xùn)練寬吻海豚探測厚度為6.35 mm, 長度為12.7 cm,外徑為37.85 mm的鋁制圓柱筒, 并以0.2, 0.3, 0.4與0.8 mm為步長, 分別增加或減小圓柱筒厚度,進(jìn)行實(shí)驗(yàn).隨著壁厚之間差值的減小, TSP會隨之發(fā)生變化, 而海豚的目標(biāo)探測準(zhǔn)確率會降低.Delong等[8]研究發(fā)現(xiàn)以75%正確響應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn), 寬吻海豚可檢測壁厚變化范圍為—0.23—0.27 mm(圖4).圓柱筒的外徑保持不變, 當(dāng)內(nèi)徑增加或減少同樣幅度時(shí), 探測精度有所差異[8].

圖3 寬帶仿生聲吶脈沖信號及圓柱殼回波 (a) 仿生脈沖作用于圓柱殼示意圖; (b) 仿生脈沖時(shí)域特性; (c)目標(biāo)回波時(shí)頻特性;(d) 目標(biāo)回波的鏡反射與彈性成分[66]Fig.3.A biomimetic broadband pulse and echoes from the cylindrical shell: (a) Geometric illustration for a pulse incident upon a shell; (b) waveform of the biomimetic pulse; (c) modified time-frequency of the synthetic echo of targets; (d) extracted elastic echo and the original synthetic echo[66].

圖4 人類與寬吻海豚的目標(biāo)識別率隨厚度的變化趨勢對比[8]Fig.4.Comparison of performance in identifying the comparison and standard targets between human and dolphin as a function of the wall thickness[8].Reprinted with permission (RightsLink: https://s100.copyright.com/CustomerAdmin/PLF.jsp?ref=b173fda8-9b88-4bde-943f-ddbed16528ba).

海豚在目標(biāo)識別過程中可使用多維度信息, 除了目標(biāo)回波強(qiáng)度與時(shí)長, 海豚還可利用前壁和后壁的反射波之間的時(shí)間延遲區(qū)分壁厚.以標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)為參考, 當(dāng)壁厚增加與減小同樣厚度時(shí), 圓柱殼中的周向表面波頻散特性會有所差別.周向表面波在薄柱殼中傳播得更慢, 相對更厚的圓柱殼, 回波差異更明顯, 利于分辨.壁厚減小時(shí), 回波的頻譜會往低頻偏移而壁厚增加時(shí), 回波的頻譜往高頻偏移[7,28].目標(biāo)回波中的時(shí)域、頻域信息均可用于目標(biāo)辨別[46].

為探究齒鯨如何綜合目標(biāo)回波中包含的多維度信息, 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用于組合目標(biāo)回波的各項(xiàng)聲學(xué)特征[8,10,64,65].結(jié)果表明, 同時(shí)使用回波的時(shí)域、頻域信息時(shí)的目標(biāo)識別效率高于單獨(dú)利用頻域信息[64,65].海豚在探測過程中會綜合回波信號的目標(biāo)強(qiáng)度、時(shí)長、信號峰數(shù)量、峰值頻率、中心頻率以及均方根帶寬等參數(shù)(圖5), 提升目標(biāo)探測效率.

圖5 目標(biāo)回波特征 (a) 時(shí)域特征; (b) 頻域特征[10];Duration (Dur), Highlight, TS, Peak frequency, Center frequency, rmsBW分別表示時(shí)長、局部峰值、目標(biāo)強(qiáng)度、峰值頻率、中心頻率與均方根帶寬Fig.5.Echo features.(a) Features in time domain, including duration (line above echo) and number of highlights(marked with asterisks).Target strength is also shown on the bottom of the graph.(b) Features in frequency domain,including peak frequency, center frequency, and rms bandwidth[10].Reprinted with permission (RightsLink: https://s100.copyright.com/CustomerAdmin/PLF.jsp?ref=34445ac7-c515-4487-bb56-0be555fd3cfc).

3 齒鯨聲吶靜態(tài)目標(biāo)探測研究

3.1 目標(biāo)探測過程中聲傳播與散射

齒鯨在探測目標(biāo)時(shí), 首先發(fā)射聲波, 作用于目標(biāo), 接收與分析目標(biāo)回波.這些物理過程涉及聲波在流體以及固體介質(zhì)中的傳播.在小振幅振動條件下, 聲波在流體中的傳播可由波動方程表述:

其中p是聲壓, ρ是聲傳播條件下密度, ρ0是靜態(tài)下的介質(zhì)密度, cs是聲在介質(zhì)中的傳播速度(m/s),Qm為聲源激勵(lì).

聲波在傳播過程中遇到聲阻抗不同的介質(zhì)會發(fā)生散射.當(dāng)聲波在固體中傳播時(shí), 其縱波和橫波傳播方式可描述為

其中, v是速度向量, λ和μ是描述壓縮和剪切模量的拉梅常數(shù).齒鯨目標(biāo)探測過程中, 涉及聲波在不同介質(zhì)之間的耦合, 包括流體與流體之間、流體與固體之間以及固體與固體之間.流體之間的邊界條件滿足界面上聲壓與法向速度連續(xù).而流體與固體, 固體與固體間的連續(xù)條件為法向速度連續(xù)與法向應(yīng)力連續(xù).研究齒鯨目標(biāo)探測機(jī)理時(shí), 會參考實(shí)際齒鯨發(fā)出的回聲定位脈沖, 設(shè)置脈沖信號.脈沖的頻率及帶寬設(shè)定可參考實(shí)際所研究齒鯨的回聲定位脈沖信號特性.如對齒鯨中能發(fā)出寬帶脈沖的種類, 可構(gòu)造超聲脈沖 Qm形式為

其中A0為控制脈沖幅度參數(shù), t0與σ為控制高斯脈沖峰值與寬度的參數(shù), f0為聲源脈沖的聲波峰值頻率, T為脈沖長度.齒鯨發(fā)出的聲波作用于目標(biāo)后, 會產(chǎn)生散射波.令平面中波數(shù)為k (k = ω/c, ω為角頻率, c為背景介質(zhì)聲速)的聲波作用于半徑為a的彈性球體時(shí), 在空間中產(chǎn)生的總聲壓場p可由下式表示[67-69]:

其中, i是虛數(shù)單位, p0為入射聲壓常數(shù), Pn為勒讓德多項(xiàng)式, Jn是貝塞爾函數(shù), Hn(1)表示一階漢克爾函數(shù), r為距離參數(shù).bn為系數(shù)矩陣, 可由彈性散射體與流體介質(zhì)交界處的連續(xù)條件, 結(jié)合克拉姆法則、波數(shù)k、貝塞爾函數(shù)以及漢克函數(shù)進(jìn)行求解[67-69].(5)式為標(biāo)準(zhǔn)圓柱目標(biāo)散射的解析解, 若目標(biāo)類型不同, 則相應(yīng)的解析形式會有所差異[67-69].

3.2 仿齒鯨聲吶脈沖信號目標(biāo)探測研究

早期研究齒鯨目標(biāo)探測主要依靠實(shí)驗(yàn)測量與行為觀察, 發(fā)現(xiàn)齒鯨的目標(biāo)探測是一個(gè)主動的、自適應(yīng)的過程[24].齒鯨會根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整探測策略, 動態(tài)改變聲波頻率與波束寬度.齒鯨的自適應(yīng)調(diào)控效應(yīng)雖豐富了研究內(nèi)容, 卻也在實(shí)驗(yàn)中帶來不確定性.數(shù)值模型可排除齒鯨在目標(biāo)探測過程中來源于其自身自適應(yīng)行為的干擾, 為實(shí)驗(yàn)研究提供補(bǔ)充和輔助, 更好地探究齒鯨目標(biāo)探測背后的物理過程[9,11,66,68,70].Pailhas等[9]通過設(shè)置仿海豚超聲脈沖作為聲激勵(lì)(圖6), 作用于PVC管與鋼管, 其目標(biāo)后向散射聲波表明不同目標(biāo)回波的時(shí)頻信息存在明顯差異.鋼管與PVC管的散射波在時(shí)域上、頻域上均存在顯著不同, 可用于辨別, 證明了使用仿生聲吶脈沖進(jìn)行目標(biāo)探測研究的可行性.

圖6 仿生超聲脈沖及與目標(biāo)回波特性 (a) 仿生超聲脈沖信號時(shí)域特性; (b) 仿生超聲脈沖信號頻譜特性; (c) PVC管回波時(shí)頻特性; (d) 鋼管回波時(shí)頻特性[9]Fig.6.Biomimetic pulse acts on tubular targets and the echoes: (a) Display of the biomimetic pulse in time domain; (b) power spectrum of the pulse; spectrograms of PVC tube (c) and steel pipe (d) target for the biomimetic pulse[9].Reprinted with permission (RightsLink: https://s100.copyright.com/CustomerAdmin/PLF.jsp?ref=9f39d17e-b79f-4173-a2fd-bc04cca52724 ).

實(shí)際探測中, 齒鯨遇到的目標(biāo)大多數(shù)是自由游動且非規(guī)則的.Au等[46]在2009年, 以大西洋寬吻海豚和港灣鼠海豚的聲吶信號為參考, 設(shè)置仿生超聲脈沖信號探測大西洋鱈魚、鯔魚、明太魚和鱸魚(圖7).當(dāng)聲脈沖從垂直于魚的長軸方向入射時(shí),目標(biāo)回波振幅大且反射波較少, 利于區(qū)分目標(biāo).當(dāng)入射方向偏離垂直方向時(shí), 回波結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜.四種魚的目標(biāo)回波時(shí)頻信息差異明顯, 蘊(yùn)含足夠可辨別的聲學(xué)特征.但Au等[46]認(rèn)為回波信號的時(shí)頻信息只是齒鯨目標(biāo)探測過程中使用的信息之一, 齒鯨在探測過程中還可能通過目標(biāo)在游動狀態(tài)下得到的回波的強(qiáng)度變化、信號變化進(jìn)行判別.目標(biāo)回波的各項(xiàng)聲學(xué)特征在齒鯨分辨目標(biāo)時(shí)占據(jù)特定權(quán)重, 目標(biāo)探測是一個(gè)綜合判斷的結(jié)果.

圖7 鱈魚(Cod)、鯔魚(Mullet)、明太魚(Pollack)和鱸魚(Sea bass)回波的時(shí)頻特征[46]Fig.7.Time-frequency representation of the echoes using the dolphin-like biosonar signal[46].Reprinted with permission (RightsLink:https://s100.copyright.com/CustomerAdmin/PLF.jsp?ref=f7614cb8-8672-41a7-9f83-6f729a0ec2ff).

齒鯨在目標(biāo)探測時(shí)會利用回波的綜合信息, 對目標(biāo)回波進(jìn)行高階處理, 提高探測效率[11,66].在回波中, 利用彈性波辨別目標(biāo)的效率可能高于利用鏡面反射波.Qiao等[66]運(yùn)用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換從回波中濾除目標(biāo)鏡面反射波保留彈性波(圖8), 發(fā)現(xiàn)回波差異主要蘊(yùn)含在彈性波中.相比時(shí)域波形或頻域譜圖, 目標(biāo)回波的時(shí)頻圖可更充分地反映不同鋼球殼的回波特性差異, 再次證明齒鯨的目標(biāo)探測過程是一個(gè)綜合判斷的結(jié)果.

圖8 鋼球殼回波的時(shí)頻信息以及濾除鏡面反射波后的時(shí)頻特性[66] (a) 1 mm厚度球殼回波時(shí)頻特性; (b) 10 mm厚度球殼回波時(shí)頻特性; (c) 15 mm厚度球殼回波時(shí)頻特性; (d) 1 mm球殼濾除鏡面反射波時(shí)頻特性; (e) 10 mm球殼濾除鏡面反射波時(shí)頻特性; (f) 15 mm球殼濾除鏡面反射波時(shí)頻特性Fig.8.The Wigner-Ville distribution of the backscattering echoes of the target with (a) 1 mm, (b) 10 mm, and (c) 15 mm thickness.The corresponding modified distributions of the elastic echoes of the target with (d) 1 mm, (e) 10 mm, and (f) 15 mm thickness[66].

4 齒鯨聲吶發(fā)射系統(tǒng)模型目標(biāo)探測進(jìn)展

聲吶方程中包含的指向性指數(shù)(DI)表明指向性也會影響齒鯨目標(biāo)探測.齒鯨生物在探測過程中, 會在頭部外形成強(qiáng)指向性的聲波束[14].科學(xué)家認(rèn)為齒鯨形成聲波束從而在目標(biāo)探測中建立優(yōu)勢是其進(jìn)化出產(chǎn)生高頻超聲脈沖的驅(qū)動力[26,34].不同齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)的指向性指數(shù)存在差異, 會影響其探測過程.相比于無指向性聲波, 指向性波束能提高生物聲吶的有效探測距離.與無指向性仿聲脈沖相比, 指向性波束可改變(1)式中的指向性指數(shù),增強(qiáng)目標(biāo)探測能力.若將齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)當(dāng)成活塞輻射換能器(半徑為a), 則其指向特性R(θ)可由下式估算得出[2,71,72]:

其中, k是波數(shù), a是活塞輻射面的半徑, J1是一階貝塞爾函數(shù).若可知齒鯨的頭部尺寸, 以及其發(fā)出的超聲脈沖的頻率, 則可估算波束指向特性.不同齒鯨的尺寸各異, 且發(fā)出的聲波頻率存在多樣性,但均能將聲波調(diào)控成強(qiáng)指向性超聲波束用于目標(biāo)探測, 體現(xiàn)了齒鯨聲吶系統(tǒng)功能的一致性.相比于仿齒鯨脈沖信號, 將齒鯨聲發(fā)射系統(tǒng)加入數(shù)值模型, 研究目標(biāo)探測過程, 可獲取更多信息.Feng等[67,70]結(jié)合實(shí)際齒鯨亞目鼠海豚科江豚頭部的計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果(圖9), 構(gòu)建其聲吶探測模型,研究了其目標(biāo)探測過程.

圖9 江豚目標(biāo)探測模型構(gòu)建過程圖解及激勵(lì)波形和功率譜圖[67]Fig.9.A systematic diagram of a biosonar model of an echolocating finless porpoise, where waveform and power spectrum of the excitation click are also presented.The finite element model was constructed based on the CT scan data[67].

圖10 給出利用Feng等[68,70]構(gòu)建的模型探測實(shí)心鋼柱和亞克力柱時(shí)得到的回波波形和頻譜[67].鋼的聲阻抗大于水, 形成強(qiáng)烈的鏡反射, 透入鋼柱內(nèi)部的能量較少.而亞克力的聲阻抗與水接近, 鏡反射波弱, 大部分能量透入到圓柱內(nèi)部.因此, 鋼的回波強(qiáng)度在50—100 μs之間大于亞克力, 但在150—300 μs之間則小于亞克力.在100—150 μs之間, 鏡反射波與其他路徑到達(dá)的聲波重疊使得亞克力的回波強(qiáng)度增加, 超過鋼柱回波強(qiáng)度.鋼柱回波有2個(gè)Highlights (回波局部最大值)[8], 亞克力柱回波有5個(gè)Highlights.兩種材質(zhì)的回波的時(shí)域波形存在明顯差異.回波的頻譜雖具有相似的輪廓,但頻譜細(xì)節(jié)也呈現(xiàn)出明顯差異.亞克力柱回波的頻譜波動大于鋼柱.在—30 dB范圍內(nèi), 鋼柱回波信號的頻譜只有兩個(gè)峰, 而亞克力柱的回波頻譜具有3個(gè)峰(圖10).這些信息表明該江豚聲吶系統(tǒng)能通過回波的時(shí)頻信息有效區(qū)分鋼柱與亞克力柱.

圖10 鋼柱與亞克力柱回波的時(shí)域與頻域特征[67]Fig.10.Simulated waveforms and frequency spectra of the echoes from steel and acrylic cylinders using finless porpoise’s model[67].

設(shè)計(jì)仿齒鯨聲吶人工聲探測系統(tǒng)可進(jìn)一步豐富目標(biāo)探測研究.圖11給出仿江豚聲發(fā)射系統(tǒng)人工物理模型的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程[71].建立聲發(fā)射系統(tǒng)人工物理模型需參考實(shí)際江豚的幾何結(jié)構(gòu)與聲學(xué)特性(圖9).江豚聲發(fā)射系統(tǒng)主要包含軟組織、上頜骨和氣囊.人工物理模型中的上頜骨可由3D打印不銹鋼而成, 氣囊則可通過參照氣囊?guī)缀涡螒B(tài), 利用聚乳酸材料進(jìn)行3D打印, 將空氣封入其中, 形成人工氣囊結(jié)構(gòu).物理模型的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)軟組織的聲速梯度特性.江豚前額聲發(fā)射系統(tǒng)軟組織從內(nèi)到外聲速遞增.為實(shí)現(xiàn)該聲速漸變特性,參考等效介質(zhì)理論[73-76], 設(shè)計(jì)人工超材料結(jié)構(gòu).等效介質(zhì)理論即參考聲散射理論, 在基底介質(zhì)中插入特定尺寸的介質(zhì)(填充材料), 實(shí)現(xiàn)聲速可控.結(jié)構(gòu)的等效聲速可由下式?jīng)Q定:

圖11 江豚聲發(fā)射系統(tǒng)人工模型及實(shí)驗(yàn)測量 (a) 聲發(fā)射人工模型目標(biāo)探測示意圖; (b) 目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng); (c) 無人工模型目標(biāo)探測時(shí)域波形結(jié)果; (d) 人工模型目標(biāo)探測時(shí)域波形結(jié)果[71]Fig.11.Bioinspired device and its experiment setup: (a) Schematic showing the experimental setup of the biosonar device (PPM);(b) photograph of the underwater target detection setup; (c) measured pressures of the system without PPM at θ = 20° (lower) and 65° (upper), where Object 1 and its jamming Object 2 were used for underwater detection; (d) pressures of the system with PPM at θ = 20° (lower) and 65° (upper)[71].

其中, φ是填充材料的填充率, ρa(bǔ)是填充材料的密度, ρw是水(基底介質(zhì))的密度, Ba是填充材料的體積模量, Bw是基底介質(zhì)的體積模量.通過改變上述各項(xiàng)參數(shù), 可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的等效聲速接近江豚軟組織.該結(jié)構(gòu)與人工上頜骨、人工氣囊可組成聲阻抗大小分布接近江豚聲吶的人工聲發(fā)射物理系統(tǒng), 并進(jìn)行目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn).相比無模型條件, 該人工物理模型能將聲波調(diào)控成超聲波束, 聲能量被調(diào)控往前向傳播, 從而使上頜骨正前方目標(biāo)回波能量大于下方, 增強(qiáng)目標(biāo)的鏡面回波能量, 提高探測效率.結(jié)果表明, 參照齒鯨聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)人工物理模型, 進(jìn)行目標(biāo)探測是可行的, 可為設(shè)計(jì)新型人工聲探測系統(tǒng)提供新思路.

5 結(jié)論與展望

齒鯨的目標(biāo)探測過程包含復(fù)雜的物理過程.齒鯨利用多相介質(zhì)組成聲發(fā)射系統(tǒng), 將回聲定位聲脈沖調(diào)控形成聲波波束進(jìn)行目標(biāo)探測.目標(biāo)探測過程中, 齒鯨會自適應(yīng)調(diào)節(jié)聲信號頻率與波束特性, 提高探測效率.目標(biāo)回波包含的信息是多維度的, 齒鯨能利用回波的目標(biāo)強(qiáng)度和時(shí)域、頻域聲學(xué)特征,進(jìn)行非線性組合, 提高目標(biāo)探測效率.目標(biāo)回波的波形、散射聲場以及目標(biāo)內(nèi)的聲場空間分布均會受目標(biāo)物理特性的影響.當(dāng)前關(guān)于齒鯨聲吶目標(biāo)探測所利用的回波信號均來自齒鯨聲接收系統(tǒng)外部, 尚未考慮聲接收系統(tǒng)對目標(biāo)回波的耦合作用.后續(xù)研究中需耦合齒鯨聲發(fā)射、聲接收系統(tǒng)形成完整的齒鯨聲吶目標(biāo)探測系統(tǒng), 為深入探索齒鯨目標(biāo)探測物理機(jī)理提供全方位的信息.此外, 齒鯨指向性波束的動態(tài)變化是否影響目標(biāo)探測過程也需后續(xù)研究.研究齒鯨目標(biāo)探測過程可為后期設(shè)計(jì)新型仿齒鯨聲吶人工聲探測系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

感謝中國科學(xué)院水生生物研究所王丁研究員、王克雄研究員, 中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所李松海研究員,自然資源部第三海洋研究所王先艷老師、楊燕明老師在研究中提供的大力支持, 以及廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院李炎老師、海洋與地球?qū)W院徐曉輝老師在研究開展過程中的幫助.