基于聲暴露級(jí)向量的海洋工程噪聲信號(hào)自動(dòng)提取方法

張小康　鐘雙蓮　黃身欽等

關(guān)鍵詞：信號(hào)自動(dòng)提取;聲暴露級(jí)向量;雙閾值觸發(fā);標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離;海洋噪聲

中圖分類號(hào)：P75;P733.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-9857（2022）02-0034-05

0引言

隨著人類開(kāi)發(fā)利用海洋進(jìn)程的日益加快，船舶航行、海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋工程建設(shè)等活動(dòng)產(chǎn)生的水下噪聲對(duì)海洋生態(tài)產(chǎn)生的負(fù)面影響引起廣泛關(guān)注[1-2]。世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）曾表達(dá)對(duì)海洋噪聲危害問(wèn)題的關(guān)切，聯(lián)合國(guó)《生物多樣性公約》（CBD）在墨西哥召開(kāi)締約方大會(huì)（COP）時(shí)對(duì)減少海洋噪聲以保護(hù)海洋生物多樣性的提案進(jìn)行討論[3-5]。相關(guān)國(guó)家和國(guó)際組織的高度重視使海洋噪聲被列為海洋環(huán)境影響評(píng)價(jià)新的重要指標(biāo)[5-6]。

跨海大橋、海底隧道、港口航道和海上風(fēng)電場(chǎng)等大型海洋工程建設(shè)往往涉及打樁和爆破等暴烈的水下施工活動(dòng)，所產(chǎn)生的寬頻、高強(qiáng)度和連續(xù)性的沖擊波噪聲對(duì)周邊海域海洋生物造成嚴(yán)重的不利影響，是海洋噪聲評(píng)估的重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象，須開(kāi)展持續(xù)性監(jiān)測(cè)[6-8]。

大型海洋工程建設(shè)通常具有施工周期長(zhǎng)和涉海面積大等特點(diǎn)。為有效評(píng)估其產(chǎn)生的海洋噪聲對(duì)周邊海域海洋生物的影響程度，通常須開(kāi)展多站位和多水層的同步和連續(xù)監(jiān)測(cè)，由此記錄海洋原始噪聲數(shù)據(jù)。從海量的海洋原始噪聲數(shù)據(jù)中提取有效噪聲信號(hào)是準(zhǔn)確評(píng)估海洋噪聲影響的前提，同時(shí)是繁瑣而繁重的任務(wù)。目前水聲信號(hào)自動(dòng)提取的研究熱點(diǎn)是機(jī)器學(xué)習(xí)方法，即提取信號(hào)的時(shí)域、頻域和聽(tīng)覺(jué)等參數(shù)特征，利用特征信息訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾科夫、K 鄰近和向量機(jī)等分類器，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)識(shí)別[9-11]。本研究在深入分析大量海底隧道爆破、跨海大橋橋墩打樁和海上風(fēng)機(jī)樁基打樁等海洋工程噪聲信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于聲暴露級(jí)向量的信號(hào)自動(dòng)提取方法，實(shí)現(xiàn)從海量的海洋原始噪聲數(shù)據(jù)中快速和準(zhǔn)確地提取海洋工程噪聲信號(hào)，為海洋噪聲的評(píng)估或研究提供有利條件。

1方法原理

大型海洋工程建設(shè)涉及的打樁、爆破和爆夯等活動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊波是短時(shí)間內(nèi)的能量釋放。2min時(shí)長(zhǎng)的某海洋工程打樁噪聲信號(hào)的時(shí)域波形如圖1所示。

與海洋原始噪聲信號(hào)相比，海洋工程噪聲信號(hào)的強(qiáng)度較大，在一定持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定的波形，且波形之間沒(méi)有嚴(yán)格的周期性，不存在相互干擾，每個(gè)波形均可視為單次隨機(jī)事件。

聲暴露級(jí)可用于描述單次或離散噪聲事件，表示每次噪聲事件釋放的能量對(duì)周邊環(huán)境的噪聲污染程度[12]。聲暴露級(jí)的計(jì)算公式為：

式中：L_E表示聲暴露級(jí);E 表示聲暴露量;T表示參考時(shí)間長(zhǎng)度，通常取1s;t₁和t₂分別表示對(duì)噪聲事件的聲暴露量有顯著貢獻(xiàn)的時(shí)間起點(diǎn)和終點(diǎn);p（t）表示t 時(shí)刻的聲壓;p₀表示水中的參考聲壓。

式（1）表明聲暴露級(jí)是某次噪聲事件在指定測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)的能量累積。為避免測(cè)量時(shí)間間隔的差異對(duì)聲暴露級(jí)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，須設(shè)定選取“指定測(cè)量時(shí)間間隔”的標(biāo)準(zhǔn)。截取某海洋工程打樁噪聲信號(hào)如圖2所示。

由圖2可以看出：與海洋工程噪聲信號(hào)相比，海洋原始噪聲信號(hào)的能量累積無(wú)明顯變化;當(dāng)海洋工程噪聲信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，其能量累積陡增;當(dāng)海洋工程噪聲信號(hào)結(jié)束后，其能量累積又趨近于恒定值。因此，“指定測(cè)量時(shí)間間隔”的選取可參照能量累積值，通常將最大能量累積值的5%和95%的時(shí)刻分別選為t₁和t₂，t₁～t₂的時(shí)間長(zhǎng)度即有效時(shí)間長(zhǎng)度（τ）。將圖2（b）中選取的t₁和t₂對(duì)應(yīng)到圖2（a）的疑似信號(hào)中，就能準(zhǔn)確定位并提取海洋工程噪聲信號(hào)。

2方法實(shí)現(xiàn)

基于聲暴露級(jí)向量的信號(hào)自動(dòng)提取方法實(shí)現(xiàn)的核心是計(jì)算疑似信號(hào)與樣本信號(hào)聲暴露級(jí)向量的標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離。為提高信號(hào)提取的效率和準(zhǔn)確率，還須結(jié)合變步長(zhǎng)截取分析、半波包絡(luò)雙閾值觸發(fā)和中心位置觸發(fā)等方法（圖3）。

2.1變步長(zhǎng)截取分析

數(shù)字信號(hào)處理受限于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，通常須將海量數(shù)據(jù)分割為若干片段并逐段分析，數(shù)據(jù)分割包括等步長(zhǎng)截取和變步長(zhǎng)截取2種分析方法。

等步長(zhǎng)截取分析方法將偏移步長(zhǎng)（λ）設(shè)置為分析數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度（L），這種“硬分割”方法在處理非周期信號(hào)時(shí)可能割斷信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)波形提取不完整或漏提取等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，本研究采用變步長(zhǎng)截取分析方法。變步長(zhǎng)截取分析方法的原理為：根據(jù)當(dāng)前截取的分析數(shù)據(jù)段（X_i）的分析結(jié)果，為下一分析數(shù)據(jù)段設(shè)置不同的偏移步長(zhǎng);若分析數(shù)據(jù)段為海洋背景噪聲信號(hào)而不含海洋工程噪聲信號(hào)，則將偏移步長(zhǎng)設(shè)置為最近提取的海洋工程噪聲信號(hào)的有效時(shí)間長(zhǎng)度（τ_j）;若分析數(shù)據(jù)段包含海洋工程噪聲信號(hào)，則將偏移步長(zhǎng)設(shè)置為分析數(shù)據(jù)段起點(diǎn)至有效時(shí)間長(zhǎng)度終點(diǎn)的長(zhǎng)度（T_i）（圖4）。

變步長(zhǎng)截取分析方法將當(dāng)前分析數(shù)據(jù)段的分析結(jié)果作為下一分析數(shù)據(jù)段的截取依據(jù)，會(huì)造成分析數(shù)據(jù)段數(shù)量的增加;但考慮到海洋工程噪聲信號(hào)的非周期和時(shí)變性等特點(diǎn)，其與等步長(zhǎng)截取分析方法相比能有效保證信號(hào)提取的完整性，并盡可能地避免信號(hào)的漏提取和重復(fù)提取。

2.2半波包絡(luò)雙閾值觸發(fā)

海洋工程噪聲信號(hào)具有較高的聲壓和一定的寬度，適合采用聲壓和寬度的雙閾值門(mén)限對(duì)海洋原始噪聲信號(hào)進(jìn)行初步篩選，可有效克服大幅度和窄寬度的海洋隨機(jī)脈沖干擾，減少誤觸發(fā)，從而提高數(shù)據(jù)處理效率。

本研究采用的半波包絡(luò)雙閾值觸發(fā)方法通過(guò)數(shù)字檢波提取正向信號(hào)包絡(luò)，并設(shè)置聲壓閾值（p_T）和信號(hào)包絡(luò)寬度閾值（w_T）作為雙觸發(fā)條件，觸發(fā)過(guò)程如圖2（c）所示。①在提取分析數(shù)據(jù)段的正向信號(hào)包絡(luò)后，計(jì)算正向信號(hào)包絡(luò)的均方根值（p_rms）。根據(jù)分析數(shù)據(jù)段和樣本信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)置聲壓閾值為正向信號(hào)包絡(luò)均方根值的若干倍。若未觸發(fā)聲壓閾值，則將分析數(shù)據(jù)段視為海洋背景噪聲信號(hào);若觸發(fā)聲壓閾值，則繼續(xù)下一步的信號(hào)包絡(luò)寬度閾值觸發(fā)。②根據(jù)樣本信號(hào)和海洋隨機(jī)脈沖的寬度，設(shè)置合適的信號(hào)包絡(luò)寬度閾值。在正向信號(hào)包絡(luò)中獲取聲壓閾值對(duì)應(yīng)的包絡(luò)寬度（w ），當(dāng)其大于信號(hào)包絡(luò)寬度閾值時(shí)表示觸發(fā)成功，否則將分析數(shù)據(jù)段視為海洋隨機(jī)脈沖干擾。gzslib202204012243

半波包絡(luò)數(shù)字檢波的計(jì)算公式為：

式中：Y （n）表示數(shù)字檢波輸出的正向信號(hào)包絡(luò);X （n）表示分析數(shù)據(jù)段的數(shù)字采樣序列;t_RC表示檢波器的阻容時(shí)間常數(shù)，最佳取值是在保留信號(hào)波形主要波峰的情況下盡可能平緩地描繪信號(hào)包絡(luò)。

2.3中心位置觸發(fā)

由于海洋工程噪聲信號(hào)具有非周期性，分析數(shù)據(jù)段中可能存在多個(gè)信號(hào)甚至不完整信號(hào)，為避免信號(hào)重復(fù)提取和保證提取信號(hào)波形的完整性，仍須在變步長(zhǎng)截取分析方法和半波包絡(luò)雙閾值觸發(fā)方法的基礎(chǔ)上引入中心位置觸發(fā)方法，通過(guò)不斷偏移將海洋工程噪聲信號(hào)的主體波形顯示在分析數(shù)據(jù)段的指定觸發(fā)區(qū)間（Z_T）內(nèi)（圖2（c））。

本研究根據(jù)某海洋工程打樁噪聲信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為1.8×10⁵個(gè)采樣點(diǎn)，觸發(fā)區(qū)間為6.0×10⁴～1.2×10⁵個(gè)采樣點(diǎn)。當(dāng)聲壓閾值在正向信號(hào)包絡(luò)上的觸發(fā)點(diǎn)（nT ）落在觸發(fā)區(qū)間內(nèi)時(shí)，就可提取觸發(fā)區(qū)間內(nèi)的疑似信號(hào)。

2.4信號(hào)提取

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離可比較包含不同量綱的多維向量的相似性。通過(guò)各分量的均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ）將分量標(biāo)準(zhǔn)化為無(wú)量綱分量，由無(wú)量綱分量求得標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離[13]。

本研究提出的疑似信號(hào)提取方法即計(jì)算疑似信號(hào)與樣本信號(hào)聲暴露級(jí)向量的標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離，由此判定疑似信號(hào)是否為樣本信號(hào)的同類信號(hào)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離小于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)的判決閾值（d_T）時(shí)，疑似信號(hào)即樣本信號(hào)的同類信號(hào)。疑似信號(hào)與樣本信號(hào)聲暴露級(jí)向量的標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離的計(jì)算公式為：

海洋工程噪聲信號(hào)可被視為慢時(shí)變信號(hào)，在短時(shí)間內(nèi)能保持相對(duì)穩(wěn)定，但在整個(gè)施工周期內(nèi)會(huì)有較大起伏，因此采用相同的樣本信號(hào)不利于海洋工程噪聲信號(hào)的準(zhǔn)確提取。本研究的初始樣本信號(hào)可從分析數(shù)據(jù)段中提取，其后將最近提取的海洋工程噪聲信號(hào)作為新的樣本信號(hào)，使樣本信號(hào)的更新遵循分析數(shù)據(jù)段的變化特征，有效提高疑似信號(hào)與樣本信號(hào)的相似度，從而提高信號(hào)提取的準(zhǔn)確率。

3驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于大連莊河海上風(fēng)電場(chǎng)某風(fēng)機(jī)機(jī)樁嵌巖施工監(jiān)測(cè)，通過(guò)距樁機(jī)不同距離的3個(gè)站點(diǎn)和多水層的持續(xù)聲學(xué)測(cè)量同步記錄到7個(gè)通道、每個(gè)通道時(shí)長(zhǎng)約為55min的完整打樁噪聲數(shù)據(jù)。分別對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行人工提取和自動(dòng)提取，以評(píng)估本研究提出的信號(hào)自動(dòng)提取方法的性能。

采用人工提取方法從7個(gè)通道中提取信號(hào)的數(shù)量略有差異，主要為2個(gè)原因。①不同距離和水深條件造成傳輸通道的差異，致使實(shí)際記錄數(shù)據(jù)存在略微偏差;②人工提取出現(xiàn)遺漏?？紤]到各通道信號(hào)提取數(shù)量的差異很小，可將其最大值即1948個(gè)作為實(shí)際信號(hào)數(shù)量，以評(píng)估2種提取方法的準(zhǔn)確率。

根據(jù)7個(gè)通道的信號(hào)提取結(jié)果，自動(dòng)提取的準(zhǔn)確率為99.28%～99.69%，與人工提取相比略低，但偏差均控制在0.5%以內(nèi)，表明自動(dòng)提取的結(jié)果可靠，且具有接近人工提取的性能。此外，相同的海洋工程噪聲源在不同距離和水深條件下的信號(hào)幅度和信號(hào)波形存在較大差別，而各通道的自動(dòng)提取準(zhǔn)確率偏差均不超過(guò)0.5%，表明自動(dòng)提取方法針對(duì)不同幅度和波形的海洋工程噪聲信號(hào)均具有穩(wěn)健的提取性能。

4結(jié)語(yǔ)