劉凇佐 ,王蘊聰 ,青 昕 ,段 悅 ,孫鵬楠 ,殷敬偉 ,喬 鋼 *

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術(shù)重點實驗室,黑龍江 哈爾濱,150001;2.工業(yè)和信息化部,海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學),黑龍江 哈爾濱,150001;3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院,黑龍江 哈爾濱,150001;4.中山大學 海洋工程與技術(shù)學院,廣東 珠海,519082)

0 引言

鯨豚動物廣泛分布于海洋中,目前全世界被發(fā)現(xiàn)的鯨目動物已有90 余種[1]。鯨豚動物可利用聲信號進行交流、覓食、躲避天敵與感知環(huán)境。例如: 齒鯨發(fā)出的回聲定位信號具有寬頻帶、窄波束等特性,與下頜處的接收系統(tǒng)構(gòu)成了一套功能強大的生物聲吶系統(tǒng),實現(xiàn)水下回聲定位探測覓食功能;座頭鯨通過制造螺旋氣泡網(wǎng)產(chǎn)生聲學屏障“圍捕”魚群;具有群居屬性的鯨豚利用不同頻率的調(diào)頻式哨叫聲信號,實現(xiàn)群體間的通信交流[2-4]。

研究鯨豚動物聲吶可為改進人造聲吶系統(tǒng)提供參考與靈感[5-6]。此外,基于對鯨豚動物生命活動、棲息分布、生理結(jié)構(gòu)的探索與認知,相關(guān)研究成果可廣泛應(yīng)用于海洋觀測、仿生通信探測、潛水及漁業(yè)活動、生態(tài)環(huán)境保護以及神經(jīng)醫(yī)學等領(lǐng)域[7]。

目前,對于野外自由狀態(tài)的鯨豚動物,主要是通過目視或定點布放水下錄音設(shè)備等方式研究生物聲學行為[8-10],如Greeneridge 公司與希爾科普能源公司通過使用自主定向海底聲學記錄儀(directional autonomous seafloor acoustic recorder,DASAR)對弓頭鯨受石油開采噪聲影響的遷移行為開展了研究[11]。針對大型鯨豚動物,研究人員常使用遠距離聲學記錄方式進行觀測,例如聲吶浮標、拖曳式水聽器線列陣以及海底固定監(jiān)聽設(shè)備[12]。這些記錄可以用來研究特定目標生物的行為規(guī)律、分布豐度、叫聲信號類型以及聲學參數(shù)等[13-14]。但這種固定式的觀測方法跟蹤距離有限,并且當研究個體背向錄音設(shè)備或游離設(shè)備監(jiān)聽范圍時,則難以持續(xù)跟蹤觀測鯨豚動物,無法獲取其全面的聲學和行為信息[15]。

對于圈養(yǎng)的鯨豚動物,在圈養(yǎng)條件下的獎懲機制和各類訓練方法的幫助下,鯨豚動物與飼養(yǎng)員可以建立合作關(guān)系,這有助于在圈養(yǎng)環(huán)境中布放各類監(jiān)測設(shè)備[16]。但在圈養(yǎng)環(huán)境下的研究結(jié)果與野生環(huán)境存在較大的差異,諸如陌生環(huán)境感知、大規(guī)模遷徙、合作捕食、種群內(nèi)部與群間社交、深潛活動以及跨物種社交等相關(guān)研究無法在有限的圈養(yǎng)條件下開展。

以上聲學觀測方法存在目標鯨豚跟蹤困難、有效數(shù)據(jù)量少、信噪比不足、不確定性大以及數(shù)據(jù)源單一等問題。因此,鯨豚動物研究領(lǐng)域需要一種能夠與目標建立穩(wěn)定觀測關(guān)系,且能獲取多源數(shù)據(jù)的觀測設(shè)備[12,17-18]。

為此,研究者們設(shè)計并開發(fā)了一種針對海洋鯨豚動物的小型吸附式聲學行為數(shù)據(jù)記錄器[17,19](也稱為聲學標簽[20-21])。這種記錄器裝有多源傳感器,集成了水聽器、加速度計、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、陀螺儀、磁力計、壓力傳感器和溫度傳感器等,可吸附在鯨豚動物體表,以實現(xiàn)對鯨豚音頻、運動和生理等數(shù)據(jù)的同步采集和記錄,并自主儲存在設(shè)備內(nèi)。吸附式聲學行為記錄器具有流線型的耐壓殼體,能夠減小鯨豚游動時產(chǎn)生的水阻,同時抵抗由于鯨豚強大潛水能力帶來的壓力,在殼體底部采用吸盤將設(shè)備附著于鯨豚皮膚表面,當記錄任務(wù)結(jié)束后,吸盤可由設(shè)備自主控制釋放,以實現(xiàn)設(shè)備的回收。吸附式聲學行為記錄器整體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 吸附式聲學行為記錄器整體設(shè)計Fig.1 Overall design of the attached acoustic behavior recorder

由于鯨豚動物發(fā)聲的頻帶很寬,記錄器的存儲容量有限,因此常對錄制到的聲學信號做無損壓縮處理。非聲學傳感器數(shù)據(jù)作為生物行為和生理研究的重要依據(jù),在后置處理中需要與聲學數(shù)據(jù)進行時間同步。通過慣性導(dǎo)航算法、粒子濾波算法等處理加速度計、GPS 信號、壓力計等傳感器的信號,并重構(gòu)目標生物運動狀態(tài)以及航跡。此外,由于鯨豚動物聲學信號相對時長非常短暫,且出現(xiàn)頻率低,針對鯨豚動物叫聲的自動檢測和提取算法,如基于深度學習的叫聲分類和提取算法等,也是重要的后置數(shù)據(jù)分析步驟。

如圖2 所示,吸附式聲學行為記錄器附著于鯨豚動物皮膚上,實現(xiàn)對各類行為和聲學信息的記錄,它在鯨豚動物研究中扮演著非常重要角色。自1999 年Johnson 等設(shè)計出了第一代被稱為DTAG[17]的設(shè)備以來,研究人員設(shè)計的多種版本的吸附式聲學行為記錄器正廣泛應(yīng)用到對鯨豚社交行為、生理活動和發(fā)聲能力,甚至更廣義的生物學、生態(tài)學和聲學研究之中[22-25]。

圖2 工作中的鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器Fig.2 Working attached acoustic behavior recorder for cetaceans

吸附式聲學行為記錄器的應(yīng)用覆蓋了海洋生物聲學研究領(lǐng)域的6 個具體研究方向[7]:

1) 鯨豚動物聲吶和聲音的產(chǎn)生機理研究;

2) 野外鯨豚動物的捕獵和運動行為學研究;

3) 通過聲學信息對潛水呼吸器官的生理學原理研究;

4) 鯨豚動物的聲音交流和行為生態(tài)學研究;

5) 人為噪音對鯨豚動物的影響研究;

6) 鯨豚動物被動聲學監(jiān)測研究。

目前參與鯨豚動物聲學行為記錄器開發(fā)和應(yīng)用的研究機構(gòu)主要有圣安德魯斯大學生物學院生物聲學行為記錄團隊、蘇格蘭海洋研究所海洋哺乳動物研究部門、加爾文學院數(shù)理統(tǒng)計系、圣安德魯斯大學生態(tài)與環(huán)境建模研究中心與杜克大學海洋實驗室等[26-27],美國海軍研究辦公室為這些研究機構(gòu)提供了財政支持。隨著越來越多的機構(gòu)和企業(yè)投入到了對聲學行為記錄器的開發(fā)和研究之中。吸附式聲學記錄器版本仍在不斷更新,總體發(fā)展趨勢呈現(xiàn)小型化、長期化、多功能化和無害化,其外形也在不斷更迭。

文中詳細介紹了鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器的系統(tǒng)設(shè)計、后置數(shù)據(jù)處理算法及常見應(yīng)用場景,對國內(nèi)外不同版本的聲學行為記錄器進行比較,分析這類設(shè)備能夠解決的問題與面臨的瓶頸挑戰(zhàn),并提出發(fā)展方向。

1 鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器系統(tǒng)設(shè)計

鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器尺寸一般為25 cm 左右,是一種小型信號記錄設(shè)備,可以對鯨豚動物進行多源數(shù)據(jù)的貼身采集[17-18]。在使用時,通過專門的設(shè)備將記錄器安裝到鯨豚動物體表,記錄器通過底部的吸盤或其他附著設(shè)備與鯨豚建立牢固連接。隨后,記錄器通過水聽器對鯨豚動物進行長時間的錄音,同時通過內(nèi)部的姿態(tài)、運動、溫度和壓力等多種傳感器記錄鯨豚動物的狀態(tài)數(shù)據(jù),并存儲在設(shè)備內(nèi)部的閃存中。當設(shè)備電量耗盡、內(nèi)部存儲空間耗盡或者達到了事先設(shè)定工作時長后,設(shè)備將從目標體表脫離并浮出水面,同時主動發(fā)射無線電信號告知自身位置。

吸附式聲學行為記錄器具有流線型外部形狀,安裝有1 個或多個高頻帶水聽器記錄鯨豚動物叫聲信號,底部根據(jù)附著能力需求的不同,安裝有1～4 個親膚材質(zhì)吸盤,尾部為低密度的大浮力材質(zhì),且安裝有信標天線以實現(xiàn)脫離生物后的回收。

1.1 適配鯨豚水動力學特征的殼體設(shè)計

總體來看,已有的幾代聲學記錄器其流線型外形設(shè)計都遵循以下原則: 1) 降低水阻,減少流噪聲;2) 產(chǎn)生一定的下壓力;3) 使鯨豚動物感到舒適。

使用鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器時,如果附著不緊密將導(dǎo)致記錄器在鯨豚體表產(chǎn)生相對移動,這些相對移動在運動數(shù)據(jù)分析中表現(xiàn)為重現(xiàn)軌跡和姿態(tài)時的誤差。這種誤差將掩蓋小尺度的運動,如游泳過程中的起伏與小幅度的轉(zhuǎn)向等。鯨豚動物快速游動為記錄器帶來了大量的水動力干擾,這可能會使得設(shè)備提前脫離,因此需要多個吸盤固定以減少記錄器在鯨豚體表的相對運動[28-29]。考慮到鯨豚最高可達80 km/h 的游泳速度與強大的變速、變向能力[30],有必要通過改良記錄器殼體的流線型、引入流體動力學設(shè)計,來減少記錄器帶來的阻力,同時產(chǎn)生使得記錄器貼緊鯨豚體表的下壓力。Shorter 等[28]通過計算流體力學的方式模擬了3 種不同外形的記錄器(如圖3 所示)在一系列不同方向水流沖擊下的流體動力載荷(如圖4 所示),水槽驗證結(jié)果顯示,良好的流線型設(shè)計能使設(shè)備獲得足夠的下壓力,能夠在10 m/s 的相對流速下保持附著不會失效。

圖3 3 種不同外形記錄器設(shè)計圖(單位: mm)Fig.3 Design drawings of three different shape recorders

除了流線型外,記錄器的外殼還應(yīng)當具有一定的耐壓能力。有數(shù)據(jù)表明[31-32],抹香鯨的最大下潛深度約為2 km,此時對應(yīng)的靜水壓力超過20 MPa,因此殼體面臨的抗壓能力十分重要。以應(yīng)用最廣泛的DTAG 記錄器為例,該記錄器的殼體為熱成型聚乙烯材質(zhì),艙內(nèi)的電路板被密封在環(huán)氧樹脂中以平衡內(nèi)外壓力。

1.2 超低功耗多源數(shù)據(jù)記錄存儲系統(tǒng)

鯨豚動物聲學行為記錄器的首要功能是記錄聲音信號。水下的聲電信號轉(zhuǎn)換通過水聽器進行,這是一種由壓電陶瓷制成的圓柱體或球體傳感器,置于記錄器的前端。記錄器的頭尾朝向與鯨豚的頭尾方向一致,能夠有效避免由于自身遮蔽造成的接收聲壓級下降。

水聽器的靈敏度與其直徑成正比,高靈敏度的水聽器甚至能夠檢測到低于前置放大電路本底噪聲的微弱聲音。但與目標聲信號的波長相比,水聽器的尺寸又必須足夠小才能實現(xiàn)全指向性,這對水聽器靈敏度上限提出了要求。壓電水聽器是電容性的,這一特性與前置放大器的輸入電阻一起決定了記錄器的低頻響應(yīng)。較薄的水聽器有更好的低頻響應(yīng),但往往耐壓性較差。由于環(huán)境中的瞬態(tài)聲音能量較高,低頻段的靈敏度過大可能導(dǎo)致采集電路過載。在設(shè)計鯨豚動物吸附式聲學記錄器時,應(yīng)綜合考慮這些因素,適配于特定的目標物種[33]。

若單純記錄聲學信號會缺少發(fā)聲時的環(huán)境信息和運動狀態(tài),作為補充,記錄器內(nèi)部還配備有壓力傳感器、陀螺儀、磁力計、加速度計、溫度計、鹽度計、心電傳感器以及GPS 等其他傳感器,以獲取被標記生物的生理活動狀態(tài)及其所處環(huán)境: 通過壓力傳感器可獲取鯨豚動物的潛水深度;通過陀螺儀、磁場測量計以及加速度計的數(shù)據(jù)可以獲得目標鯨豚當前的運動狀態(tài)與朝向,通過慣性導(dǎo)航可對其游弋路徑進行跟蹤;通過溫度計和鹽度計能夠獲取當前所處海洋環(huán)境信息;心電傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測生物的生物電與心率頻次[34-37],這在一定程度上反映了鯨豚動物的心理狀態(tài)。上述非聲學信號的采樣頻率遠低于聲學信號的采樣頻率,當對聲學信號進行處理時,利用非聲學數(shù)據(jù)可以實時恢復(fù)出發(fā)聲時段的全息場景,進一步支撐開展相應(yīng)的研究。

除了上述常見的傳感器外,部分研究中還會集成其他傳感器,例如: 磁場傳感器可以用來配合鯨豚動物下頜處固定磁力材料的實驗,以記錄口腔的張合次數(shù);光強傳感器可以用來研究鯨豚動物行為與光照水平的關(guān)系;pH 值感受器和濁度感受器可用來衡量水體指標等。

通常鯨豚動物聲學行為記錄器中包括控制器和數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)。微控制器負責協(xié)同整個設(shè)備的傳感器運行,保證數(shù)據(jù)采樣是連續(xù)且不發(fā)生沖突;低功耗的DSP 用來對音頻信號進行實時濾波與壓縮。Johnson 和Tyack 最初設(shè)計的DTAG 記錄器只有400 MB 的存儲空間,同時具備一個0.5 MB/s的紅外接口來對設(shè)備進行配置。在前文提到的壓電陶瓷水聽器的后端由前置放大器、抗混疊濾波器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)構(gòu)成。動態(tài)范圍是聲學記錄器的一個重要參數(shù)。記錄器的動態(tài)范圍定義為在不失真情況下能夠錄制到的最大幅值的聲信號電平與寬帶系統(tǒng)的本底噪聲之間的分貝差異,根據(jù)動態(tài)范圍可以確定表示每次采樣樣本的位數(shù),而記錄器需要較高的動態(tài)范圍來同時捕捉當前附著鯨豚動物的發(fā)聲與遠處動物的音頻信號。最早的DTAG 使用12 位的ADC,其采樣率由程序控制,可在2～200 kHz 之間調(diào)節(jié),當前置增益設(shè)置為12 dB 時,其動態(tài)范圍從本底噪聲的80 dB 到出現(xiàn)削波時的152 dB(參考聲壓1 μPa)[18]。隨著技術(shù)的進步,這些模塊的參數(shù)都在大幅度提升,這一點將在下文舉例說明。

各個傳感器獲取的數(shù)據(jù)按照流傳輸?shù)姆绞絻Υ嬖贜AND 模塊中。NAND 閃存采用非易失性存儲技術(shù),即斷電后仍能保存數(shù)據(jù)。對于電池容量有限、離線工作且非即時回收的記錄器而言,這種數(shù)據(jù)保存能力尤為重要。NAND 閃存的封裝設(shè)計在日益變小變薄[38],這意味著聲學行為記錄器的工作時長和記錄帶寬仍在進一步提升。

1.3 吸附裝置與脫離回收裝置設(shè)計

記錄器與鯨豚之間的連接方式是影響研究質(zhì)量的關(guān)鍵因素。出于對獲取數(shù)據(jù)的真實性和數(shù)據(jù)量的需求,記錄器的引入不應(yīng)對被測試動物的正常生理和心理活動產(chǎn)生較大的影響。因此,記錄器與測試動物之間的連接方式應(yīng)當兼具牢固性與較小的傷害性。

常見的附著方式包含刺入式與吸盤類。最早期的聲學記錄器使用刺入表皮的倒鉤與目標生物建立連接(如圖5 所示)[39-40],有時也使用背鰭螺栓等[41],這種連接方式主要用于對表皮厚實、體型龐大的大型須鯨的長期觀測。隨著設(shè)備的成熟和生物倫理學的發(fā)展,這種具有傷害性的侵入式連接方式逐漸減少,吸盤連接成為了主流的部署方式。

圖5 早期帶有尖刺倒鉤箭頭的吸盤Fig.5 an early suction cup with a spiked barbed arrow

同時,受限于電池容量與內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲空間,離線設(shè)備的工作時長有限。為了回收設(shè)備及其記錄的關(guān)鍵數(shù)據(jù),在工作壽命到期前,記錄器將通過主動方式脫離附著的鯨豚動物。這種巧妙的解掛方式是通過電化學腐蝕實現(xiàn)的。在記錄器硅膠吸盤的頂端有使用鎳鉻合金絲系緊的細管,當電量、存儲空間或工作時長達到預(yù)先設(shè)計的限制時,鎳鉻合金絲接通電源,作為電解池的陽極不斷失去電子,進而快速腐蝕斷裂。被系緊的細管失去束縛,導(dǎo)致海水在壓力的作用下流入吸盤的內(nèi)部,失去負壓的吸盤即刻從鯨豚動物體表脫離。記錄器尾部采用浮力較大的低密度復(fù)合泡沫作為浮力材料,這是一種在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中添加充氣玻璃球構(gòu)成的材料,可使記錄器的浮心偏向設(shè)備后端裝有天線的部分。在浮力的作用下,記錄器快速上浮并以尾部天線向上的姿態(tài)漂浮在海面上。尾部天線在預(yù)設(shè)程序的控制下發(fā)射甚高頻無線電信號,研究人員即可通過信號強度實現(xiàn)設(shè)備回收。

1.4 吸附式聲學記錄器的布放

鯨豚動物吸附式記錄器的布放難度極高: 由于鯨豚動物出現(xiàn)的海洋環(huán)境往往比較惡劣,對電子設(shè)備并不友好;而且布放時野生鯨豚對布放人員往往處于不配合甚至是規(guī)避的狀態(tài);再者,由于鯨豚動物極快的游泳速度,布放記錄器的窗口期極短,且隨機出現(xiàn)。針對上述情況,Kleivane 等[42]設(shè)計了一種專門用來向不受控的鯨豚動物目標發(fā)射聲學記錄器的氣動裝置,稱為空中遠程標記系統(tǒng)(aerial remote tag system,ARTS)(如圖6 和圖7 所示,圖6 中,左圖為裝配好DTAG3 的ARTs,中圖為不同的DTAG 設(shè)備,右圖為部署過程實拍),這種裝置通過氣壓驅(qū)動,發(fā)射壓力設(shè)置為能夠滿足吸盤附著需要的同時,不會對目標鯨豚帶來較大的刺激。該系統(tǒng)有效作用距離約為5～20 m,既能用以部署常見的吸附式聲學記錄器DTAG,也可用來發(fā)射刺入式記錄器。這種設(shè)備出現(xiàn)之前,各類記錄器的布放是通過長達數(shù)米的懸臂長桿通過拍擊目標動物的方式完成的(如圖8 所示)。隨著近年來無人機技術(shù)的成熟,逐漸出現(xiàn)了利用遙控無人機吊放部署記錄器的方式。

圖6 用來布置DTAG3 的ARTs 套件Fig.6 The ARTs kit used to set up DTAG3

圖7 ARTs 氣動發(fā)射套件測試實拍Fig.7 ARTs pneumatic launch kit in testing

圖8 吸附式記錄器傳統(tǒng)布放方式Fig.8 The traditional laying mode of the attached recorder

2 鯨豚動物聲學行為數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

吸附式鯨豚動物聲學行為記錄器以高采樣率獲得高質(zhì)量的鯨豚動物聲學信號,同時以較低的采樣率獲得加速度計、陀螺儀等姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)流需要在設(shè)備端同步存儲并進行處理,提取出可供研究的無損音頻信號,并重構(gòu)發(fā)聲時鯨豚動物的朝向、深度、運動趨勢以及運動軌跡等信息。

2.1 寬帶音頻數(shù)據(jù)低功耗壓縮技術(shù)

大量的音頻數(shù)據(jù)需要壓縮以提高存儲效率。數(shù)字量化后的聲信號本身往往包含兩部分可供去除的冗余量: 第一,大量的低電平信號不能占滿完整的數(shù)字動態(tài)范圍,因此使用等長的字段編碼時會產(chǎn)生大量的無信息段;第二,與采樣相比,音頻信號是慢變化的,其樣本間往往具有一定的相關(guān)性,這部分可預(yù)測的樣本應(yīng)當被濾除。傳統(tǒng)的無損音頻壓縮編碼(free lossless audio codec,FLAC)、WavPack 等壓縮算法盡管能取得很好的壓縮比,但計算開銷大,對于聲學記錄器內(nèi)部低功耗的嵌入式處理器而言并不適用。在這2 種思想的指引下,國外學者利用海洋環(huán)境下鯨豚聲信號本身的特征,提出了一種被稱為X3 的適用于聲學記錄器的音頻數(shù)據(jù)編碼方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮[43-44]。

2.1.1 海洋環(huán)境下的鯨豚聲學信號特征

鯨豚動物具有極寬的聲學收發(fā)頻帶,如瓶鼻海豚的聽覺帶寬范圍為100 Hz～150 kHz;虎鯨的最佳聽力閾值可達34 dB/μPa[45-46];海豚能發(fā)出頻率為250 Hz～200 kHz 的高頻窄脈沖嘀嗒聲(click)、時長為十分之幾秒到幾秒的持續(xù)調(diào)頻哨聲(whistles)以及猝發(fā)脈沖聲(burst pulses)等3 類聲信號,其中最常見的click 信號峰值強度可達230 dB/μPa[47]。這對聲學記錄器的頻帶響應(yīng)寬度提出了較高要求。

水下錄制到的聲音其主要成分是風浪聲和雨聲,在來往頻繁的航線附近也有持續(xù)不斷的輪機聲[48-51]。與之相比,研究人員感興趣的鯨豚動物叫聲盡管聲源級高,但其出現(xiàn)頻率通常很低。因此,在對鯨豚動物錄音進行壓縮時,關(guān)注的是如何對占空比較大的海洋背景噪聲進行壓縮。

此外,由于聲信號的頻率越高,在海水中衰減的程度越大,系統(tǒng)接受到的聲信號成分也隨之變化,例如當頻率升高到10 kHz,系統(tǒng)噪聲來自電子元件產(chǎn)生的散粒噪聲和約翰遜噪聲;當頻率大于10 kHz 后,量化噪聲成為了主要干擾;在30 kHz 以上的較高頻段,海洋中的背景噪聲信號的能量占比極低,基本不會被記錄到;當鯨豚動物貼近水面快速游動時,還會因海流波浪產(chǎn)生高頻空化噪聲。因此,從壓縮的角度看,海洋環(huán)境下的鯨豚聲學記錄器接收到的聲信號可以分為: 幾乎以短時脈沖形式出現(xiàn)的寬頻帶鯨豚目標聲信號、緩慢變化低頻的海洋背景噪聲信號以及鯨豚目標快速游動時產(chǎn)生的高頻空化噪聲。這種信號特征為低復(fù)雜度的音頻數(shù)據(jù)無損壓縮算法提供了思路。

2.1.2 低復(fù)雜度音頻數(shù)據(jù)無損壓縮算法

聲學行為記錄器的寬帶采樣音頻需要壓縮,但對聲信號進行壓縮不應(yīng)消耗過多算力,否則會影響設(shè)備工作時長。研究人員希望得到系統(tǒng)記錄帶寬內(nèi)真實的聲信號,因此壓縮算法應(yīng)當是無損的。

無損壓縮儲存的壓縮算法一般包括濾波和編碼2 個部分。通常連續(xù)采集的信號樣本之間是相關(guān)的,即后一個樣本中存在可由前面樣本預(yù)測的部分。濾波器通過移除該可預(yù)測分量,使殘差信號的幅值更小。針對輸入信號的頻譜具有時變特性,大多數(shù)壓縮方案采用自適應(yīng)濾波器來實現(xiàn)更好的壓縮效果。為了實現(xiàn)解碼,濾波器應(yīng)當是穩(wěn)定可逆的,自適應(yīng)濾波器的系數(shù)需要隨著殘差數(shù)據(jù)一同提供給解碼端。出于對算力的節(jié)省,X3 編碼采用1 階差分代替自適應(yīng)濾波器來獲得信號殘差。在測試中,1 階差分對冗余信息的過濾效果已經(jīng)足夠,使用更高階的差分對壓縮比的提升有限。

當殘差信號的平均功率已足夠低時,可采用較短的二進制編碼表示。在理想編碼器中,編碼長度應(yīng)該反比于被編碼值出現(xiàn)的概率。在沒有先驗知識的情況下,增加編碼長度較為復(fù)雜。按照海洋環(huán)境背景下鯨豚動物聲學信號的特征,Johnson等[43]提出了X3 壓縮編碼方法,使用統(tǒng)計學和實驗的方法人為預(yù)設(shè)了編碼器的劃分門限,省去了部分算法自適應(yīng)編碼時一邊讀取數(shù)據(jù)一邊豐富先驗知識的算力開銷,實現(xiàn)了較好的數(shù)據(jù)壓縮效果。X3 算法的壓縮比視不同樣本而定,使用居維葉喙鯨、抹香鯨、座頭鯨等DTAG 記錄到的真實海洋背景下的鯨豚音頻數(shù)據(jù)集對算法進行測試,X3 的壓縮比基本維持在3 以上,與FLAC、WavPack、PPMd、GZIP 等算法進行橫向比較,與X3 算法壓縮比相差不大。使用采樣率分布在16～240 kHz 的海洋生物錄音對壓縮算法進行測試,X3 算法以較低的算力實現(xiàn)了FLAC 等復(fù)雜方法87%的壓縮效果,而只需要10%的處理操作,從而在低功耗的DSP 微處理器上實現(xiàn)了不到1 mW 的功耗。這在功耗只略有增加的情況下可將錄音時長增加近3 倍。

此外,節(jié)省存儲空間的方案還有基于事件檢測算法的非連續(xù)記錄模式,例如在某指定時刻或時間段記錄;由傳感器監(jiān)測到某類事件時觸發(fā)記錄;按照事先設(shè)置檢測算法使得記錄器只存儲特定的某類聲音[52-54],但這些方法無疑會遺漏微弱或意外的聲音。

2.2 基于姿態(tài)傳感器的鯨豚動物運動狀態(tài)重構(gòu)算法

研究鯨豚動物的活動過程需要使用陀螺儀、加速度計和磁力計等傳感器通過姿態(tài)運動重構(gòu)算法描繪鯨豚動物的姿態(tài)、運動狀態(tài)和路徑軌跡。

出于簡化目的,將鯨豚動物視為無關(guān)節(jié)的單一形狀剛性體,記錄器測得的數(shù)據(jù)可被認為是其質(zhì)心運動數(shù)據(jù)。鯨豚動物在活動中包括進退、橫移、升沉3 個平動自由度,以及橫搖、縱搖和偏航3 個轉(zhuǎn)動自由度(見圖9)。平動和轉(zhuǎn)動分別求導(dǎo)可得到速度和角速度,進一步求導(dǎo)則得出加速度和角加速度。在重構(gòu)之前,首先定義左手原則下的4 個坐標系以供換算。

圖9 鯨豚動物運動狀態(tài)示意圖Fig.9 Motion state diagram of cetaceans

1) 傳感器坐標系: 記錄器內(nèi)傳感器軸向構(gòu)成的框架。

2) 記錄器坐標系: 定義記錄器的朝向,以確定正向與反向。

3) 動物坐標系: 動物基本軸線,給出動物的前后、中心和側(cè)翼、腹部和背部。

4) 導(dǎo)航坐標系: 中心與動物質(zhì)心重合,3 個軸向分別指向地理意義上的北方、東方和上方。

將加速度按時間積分,結(jié)合陀螺儀讀取的角度構(gòu)成的歐拉角數(shù)據(jù),即可粗略還原鯨豚運動的狀態(tài)。

運動是時間和空間上的連續(xù)過程,雖然使用記錄器觀測的采樣率非常有限,但仍可以通過慣性導(dǎo)航或慣導(dǎo)結(jié)合參考位置的融合導(dǎo)航方法給出動物的相對位置和絕對位置。利用準確的初始位置信息以及不斷獲取的方向信息和速度信息,可以得到鯨豚運動的偽航跡圖[55](見圖10)。結(jié)合錨定好的準確位置信息,利用隱馬爾科夫模型(hidden Markov model,HMM)或狀態(tài)空間模型(state space model,SSM)即可通過預(yù)測的方式重建運動軌跡。需要注意的是,盡管存在GPS 信號或有參照物的目視信號作為位置參考,可以使用卡爾曼濾波的方式對航跡進行修正,但在2 次修正之間的偽航跡圖仍然會累計誤差[56]。

圖10 使用慣性導(dǎo)航算法根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)重構(gòu)的偽航跡示意圖Fig.10 Schematic of a pseudo-track reconstructed from sensor data using inertial navigation algorithms

上述被稱為慣性導(dǎo)航的無源導(dǎo)航算法在聲學跟蹤和鯨豚動物運動學分析中具有巨大的研究潛力,隨著功耗更低、精度和采樣速度更高的傳感器件的出現(xiàn),關(guān)于方向、姿態(tài)和軌跡重建的研究在消減累計誤差方面將會取得進一步的性能提升。

3 國內(nèi)外聲學行為記錄器發(fā)展及應(yīng)用概況

國內(nèi)外的生物聲學行為記錄器從產(chǎn)生至今已有20 余年,版本眾多,包括通用性成品設(shè)備以及針對性設(shè)計的定制設(shè)備。事實上,每一種聲學行為記錄器并不會安裝全部種類的傳感器。這是因為受目標研究生物的體型影響,記錄器設(shè)備的尺寸不同,其電池容量也不同。多傳感器意味著更大的耗電量,這對記錄器的工作壽命有一定影響。而由于研究人員對設(shè)備記錄數(shù)據(jù)預(yù)期的差異,同樣的傳感器在不同的記錄器版本中往往也被設(shè)計成不同的參數(shù),如不同的采樣率、分辨率、頻帶范圍和工作周期等。各類記錄器傳感器配置見表1。

表1 各類記錄器傳感器配置一覽表Table 1 List of sensor configurations for each type of recorder

目前主要使用鯨豚動物聲學行為記錄器進行生物研究的機構(gòu)有京都大學研究生院信息學研究科社會信息學系生物圈信息學實驗室、東京大學生物記錄科學項目、圣安德魯斯大學生態(tài)與環(huán)境建模研究中心、斯坦福大學霍普金斯海洋站戈德博根實驗室、圣安德魯斯大學海洋哺乳動物研究小組、北海道大學研究生院水產(chǎn)科學研究科海洋生物資源與環(huán)境科學學科的海洋生態(tài)研究所渡之實驗室,以及名古屋大學行為和生態(tài)學尤達實驗室等[57-60]。

下文不僅列出鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器,由于部分針對鳥類、陸生動物和魚類的穿戴式記錄器與其具有相似的設(shè)計思路與功能,故也列舉出來以作參考。

3.1 DTAG

DTAG 是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器,由圣安德魯斯大學和伍茲霍爾海洋研究所開發(fā),可用于座頭鯨、北大西洋露脊鯨、抹香鯨、領(lǐng)航鯨、藍鯨、灰鯨、布氏喙鯨和居維葉喙鯨等幾乎所有大型鯨豚動物。DTAG通過底部自帶的吸盤附著于海洋生物體表以記錄聲學、生理或行為信息。在實際使用中,DTAG 不僅可以記錄所附著鯨豚動物的叫聲信號和運動行為信息,還可以記錄其周圍的鯨豚動物叫聲、船舶噪聲和海洋環(huán)境背景噪聲。

DTAG 版本共有3 個,分別是1999—2002 年使用的DTAG-1,2002—2012 年使用的DTAG-2,以及2012 年至今使用的DTAG-3(見圖11,圖中從下到上依次為1,2,3 代設(shè)備)。3 代設(shè)備的尺寸逐代減小,功能也不斷增加,DTAG-3 版本的設(shè)備長度約為39 cm,如果不包含天線則長度僅有16 cm。

圖11 不同版本的DTAG 設(shè)備Fig.11 DTAG devices of generations 1,2 and 3

DTAG 內(nèi)部硬件包括: 鋰離子可充電電池、DSP、深度(壓力)傳感器、溫度傳感器、音頻采集電路、前置放大器、抗混疊濾波器、ADC 以及運動傳感器(包括加速度計和磁力計)、64 GB 閃存。其主要外部器件如表2 所示。

表2 DTAG 主要外部器件及說明Table 2 DTAG main external parts and descriptions

根據(jù)美國海軍海洋生物資源項目報告顯示,更新版本的DTAG-4 已在制作之中。如圖12 所示,該版本的DTAG 尺寸更小,容量更高,電池壽命更長,從外形來看,其水聽器探頭為2 個,這意味著該設(shè)備具有一定的陣處理能力。

3.2 Acousonde

Acousonde 系列吸附式聲學行為記錄器由美國Greeneridge Sciences 研制。分為Acousonde 3A和Acousonde 3B 兩種類型,如圖13 所示[61]。

圖13 Acousonde 實物圖Fig.13 Photos of Acousonde

Acousonde 的主要應(yīng)用集中于海洋生物的聲學行為記錄,其研究成果多為人致噪聲對海洋生物活動的影響。2012—2014 年,使用Acousonde 3A 對香港大嶼山東北部水域中華白海豚進行監(jiān)測,評估了正在建設(shè)的港珠澳大橋施工階段鉆孔打樁活動產(chǎn)生的聲景影響。2012 年起,Greeneridge Sciences 公司和格陵蘭自然資源研究所合作,開始使用Acousondes 標記東格陵蘭獨角鯨[62]。

除此之外,該設(shè)備也被用于非生物研究領(lǐng)域,例如作為便攜的聲場記錄儀、自容式海底聲學信號和船舶噪聲記錄器,有時也將該設(shè)備用于長基線聲學陣列的陣元,或作為水下航行器的聲學、姿態(tài)、方位記錄儀和拖曳線纜的實時姿態(tài)監(jiān)視器。

在外設(shè)配置方面,Acousonde 3A 和3B 系列均配備有1～2 個水聽器探頭(其中1 個為可選的高頻水聽器)、傾斜傳感器、深度和溫度傳感器、64 GB或128 GB 可選的閃存、紅外發(fā)射口、可更換的ACELL 鋰電池以及microUSB 連接口。但Acousonde 3B 系列記錄器自帶甚高頻無線電發(fā)射模塊。

在外形結(jié)構(gòu)方面,Acousonde 3A 具有圓柱狀的外形,直徑為3.2 cm,長度22.1 cm,在海水中重約86 g。設(shè)備本身沒有附著裝置,需要單獨裝配吸盤或其他吸附、釋放以及浮力回收裝置。而Acousonde 3B 高度為4.2 cm,最寬處為7.9 cm,長度為22.4 cm,具有正浮力,在海水中的浮力大于50 g,且配有用戶可自行置換的吸盤。

3.3 Little Leonardo 公司系列設(shè)備

Little Leonardo 是日本東京一家創(chuàng)新科學研究工具的制造商,主要提供小型、可靠的海洋動物行為研究數(shù)據(jù)記錄器。該公司旗下主要有2 款產(chǎn)品,包括以記錄深度(壓力)、游泳速度、溫度、3D 加速度、鹽度(電導(dǎo)率)等傳感器文本信息為主的ORI400 系列記錄器,以及以記錄視頻信息為主的DVL400M記錄器。這些設(shè)備廣泛用于各種野生動物物種,如魚類、鳥類、海龜、海豹和鯨魚。

3.3.1 ORI 系列

ODR 系列記錄儀包含3 款產(chǎn)品: ORI400-D3GT、ORI400/1300-PD3GT 及ORI400/1300-3MPD3GT(見表3)。其中ORI400-D3GT 集成三軸加速度計、溫度和壓力傳感器,并配備可更換電池,在較高采樣率的基礎(chǔ)上具有緊湊的尺寸,能夠下潛到水下400 m,可以用來記錄水下動物,尤其是小型魚類的行為數(shù)據(jù)。圖14 為該設(shè)備附加到一個日本鱸魚準備數(shù)據(jù)采集。

表3 ORI 系列產(chǎn)品Table 3 ORI series

ORI400/1300-PD3GT 型號記錄器在ORI400-D3GT 基礎(chǔ)之上增加了速度測量模塊,并對外殼進行了改進設(shè)計,可選1 300 m 耐壓殼體。ORI400/1300-3MPD3GT 在此基礎(chǔ)上增加三軸磁場傳感器,同樣有可選的1 300 m 耐壓殼體。

3.3.2 DVL400

DVL400(見圖15)是Little Leonardo 旗下一款視頻記錄器,可以進行水下視頻數(shù)據(jù)的采集及存儲。根據(jù)不同的采集模式可連續(xù)采集2～5 h,同樣可耐壓400 m 水深。

圖15 Little Leonardod DVL400M 記錄器Fig.15 DVL400M recorder from Little Leonardo

3.4 Wildlife Computers 公司系列設(shè)備

Wildlife Computers 公司是美國的一家野生動物遙測方案供應(yīng)商,旗下的聲學行為記錄器包括POP-UP 系列、SPOT 系列、SPLASH 系列、Daily Diary 系列以及TDR 系列等。

3.4.1 POP-UP 系列記錄器

彈出式存儲傳輸記錄器(pop-up archival transmitting tags,PAT,也稱PSATs)是一類針對非浮水生物的信息采集設(shè)備,如圖16 所示,具有彈出式的釋放功能,且支持衛(wèi)星通信。記錄器釋放后浮出水面,并將記錄到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rgos 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。這類記錄器被用于研究金槍魚、鯊魚、馬林魚、劍魚、比目魚、鰻魚和海龜?shù)葎游铩?/p>

圖16 POP-UP 類設(shè)備Fig.16 POP-UP class device

3.4.2 SPOT 系列記錄器

SPOT 系列記錄器通用性高,適合應(yīng)用于具有水面浮休習性的野生海洋生物。使用Argos 衛(wèi)星定位系統(tǒng)對研究對象進行跟蹤,可以近乎實時地實現(xiàn)250 m 精度的海上定位。

SPOT 系列記錄器具有豐富的類型(部分產(chǎn)品見表4),形狀和尺寸配置多達50 余種,附著方式包括吸附于生物皮膚表面、刺入式安裝和固定于鯨豚背鰭處等。記錄器內(nèi)置UHF 無線射頻模塊,當記錄器浮出水面時,設(shè)備以低功率發(fā)出無線電波“ping”信號,使用具有定向天線的接收裝置可以實現(xiàn)對目標個體的定位和主動跟蹤。設(shè)備還具有Argos 天線,定位也可以通過Argos 衛(wèi)星實現(xiàn)。

表4 SPOT 系列部分產(chǎn)品Table 4 Part of the SPOT series

3.4.3 SPLASH 系列

SPLASH 系列是一類高度可定制化的記錄器,用于野生海洋生物運動信息的精密記錄。部分海洋生物浮出水面的時間對于傳統(tǒng)GPS 或Argos 系統(tǒng)而言過于短暫,而該設(shè)備使用的Fastloc 技術(shù)能夠在短暫的時間窗口中獲得高準確度的位置信息。與SPOT 系列相似,該系列產(chǎn)品線十分豐富,表5 僅列出鯨類使用的SPLASH 系列。

表5 SPLASH 系列部分產(chǎn)品Table 5 Part of the SPLASH series

3.4.4 Daily Diary 系列

圖17 為Wildlife Computers 公司的Daily Diary系列記錄器,它可以記錄深度、溫度、光、濕/干、加速度、磁場和速度等多種類型的數(shù)據(jù)。其三軸加速度計能夠以32 Hz/s 的速度采樣、三軸磁力計能夠以8 Hz/s 的速度采樣。Daily Diary記錄器還具有速度測量功能,配合深度傳感器,可以推導(dǎo)出海洋生物游泳速度的垂直和水平分量。

3.5 ROTAG

ROTAG 是一種用于海龜?shù)穆晫W記錄器,由芝加哥動物學會的Reny B Tyson 等開發(fā),裝有3 軸加速度計、陀螺儀和磁力計來記錄海龜?shù)倪\動信息,1 個壓力傳感器來記錄海龜?shù)南聺撋疃?1 個水聽器來記錄海龜收到的聲信號,2 個無線電天線用于尋找回收設(shè)備。研究人員使用該設(shè)備在巴西Paranaguá河口記錄了幼年綠海龜?shù)纳顢?shù)據(jù)[63],設(shè)備布放如圖18 所示。

圖18 吸附在幼年綠海龜上的 ROTAG 及其細節(jié)Fig.18 ROTAG attached on a juvenile green sea turtle and its details

3.6 哈爾濱工程大學吸附式TAG

哈爾濱工程大學水聲通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗室開發(fā)了一套針對鯨豚動物的吸附式聲學行為記錄器。該設(shè)備由硅膠吸盤附著于鯨豚動物體表,外觀為流線型,密度為0.95 倍海水密度,具有正浮力。該設(shè)備包括1 個水聽器及壓力計、加速度計、陀螺儀、出水檢測模塊、GPS 與北斗定位等功能模塊。水聽器接收帶寬為150 Hz～150 kHz,最高采樣率大于500 kHz,信號動態(tài)范圍為80 dB,具有256 GB 的存儲空間,最大工作深度可達100 m,工作時長為24 h。該方案的具體建模和仿真圖如圖19 所示,其中圖19(a)和(b)分別為鯨豚動物運動時吸附式TAG 受到水流升力與阻力隨時間變化的仿真結(jié)果。當鯨豚動物以5.6 m/s 速度行進時，TAG 的穩(wěn)態(tài)受力值在一個固定值范圍內(nèi)浮動，其中TAG 所受升力在75 N 左右，所受阻力在15 N左右。目前該記錄器的外形仍在基于計算流體動力學仿真和水槽實驗開展進一步優(yōu)化。

圖19 哈爾濱工程大學TAG 方案建模與流體力學仿真Fig.19 HEU TAG scheme modelling and hydrodynamic simulation

4 吸附式聲學行為記錄儀發(fā)展趨勢

近年來,隨著國內(nèi)海洋生物研究的發(fā)展,聲學行為記錄器從國外進口走向了自主研發(fā)。在未來的研究中,設(shè)備與技術(shù)的迭代升級仍是發(fā)展的重點。

1) 小型化。聲學行為記錄器應(yīng)用于鯨豚動物,布放以及吸附不能對生物造成影響,因此設(shè)備整體質(zhì)量以及體積大小設(shè)計需要綜合考慮,并且殼體設(shè)計要考慮水動力學模型,確保水流阻力小、吸附方式牢,以保證生物友好性。

2) 長期化。伴隨著微電子芯片的快速發(fā)展,聲學行為記器硬件系統(tǒng)工作時長向著長期化部署的特點發(fā)展。當其工作壽命延長至數(shù)月乃至更長,對記錄的海量數(shù)據(jù)進行檢測與自動化提取等,更多的后置處理方法也將成為研究重心之一。

3) 多功能模塊化。面對小型化以及多源數(shù)據(jù)需求,吸附式聲學行為記錄器模塊化的多功能組件開發(fā)成為了熱點。例如通過集成心電傳感器對海豚心率進行檢測,或集成水質(zhì)傳感器檢測水體溶氧水平等。這些專業(yè)的功能模塊服務(wù)于特定的研究,未來記錄器系統(tǒng)將為這些模塊提供通用接口,以實現(xiàn)快捷的定制生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

文章介紹了鯨豚動物吸附式聲學行為記錄器的系統(tǒng)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù),概述了國內(nèi)外各類、各型號記錄器設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀。這類設(shè)備在鯨豚動物研究領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用: 設(shè)備以吸附的方式對鯨豚動物叫聲、運動狀態(tài)、環(huán)境背景噪聲等多種信息進行實時同步記錄,能夠以較高的精度提供聲學維度、運動學維度和環(huán)境學維度等多維數(shù)據(jù)。吸附式聲學記錄器極大豐富了生物學、海洋生物聲學和海洋生態(tài)學等學科的數(shù)據(jù)來源,為研究的開展提供了有力的數(shù)據(jù)支撐,可進一步促進生物學、聲學和仿生學等領(lǐng)域的研究發(fā)展。