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典型鲸豚捕猎行为中生物声呐工作机理研究

青昕  
【摘要】:历经了千万年的进化,鲸豚海洋生物具有可以适应各种海洋环境的声呐系统。鲸豚主要应用其声呐系统实现水下捕猎功能,一方面通过生物声呐可以在捕猎过程中获取至关重要的目标信息,另一方面鲸豚也可以利用生物声呐实现对猎物的驱赶以及围捕。因此研究鲸豚生物声呐的工作机理对于改进现有声呐系统而言具有重要的意义。但是鲸豚生物的研究由于生物实验可控性差,因此导致了相关研究进度长期停留于信号以及生物行为观测阶段,而无法深入到鲸豚生物声呐行为机理层面。导致目前仍无法解释鲸豚如何利用其生物声呐实现复杂的捕猎功能,并且限制了仿生声呐的研制工作。因此本文结合声学仿真以及信号分析方法,对鲸豚捕猎行为中的生物声呐工作机理展开研究。作为鲸豚类生物的两个大类,齿鲸与须鲸在捕猎器官以及捕猎习性有着本质性区别。因此本文对齿鲸与须鲸的生物声呐工作机理分别展开研究。一方面针对齿鲸的自适应目标探测、区分、识别过程,建立静态模型研究齿鲸提取目标特征的信息处理方法。基于该静态模型,研究齿鲸根据目标特征进行主动调控的信息处理机制。另一方面,针对须鲸的生物声呐配合围捕的生物行为,研究须鲸主动控制其生物声呐在气泡网中发声形成‘声墙’的物理机理。根据已知的齿鲸对水下悬浮以及掩埋目标探测的生物实验结果,本文提出了基于有限元的虚拟回波产生方法,构建模拟齿鲸回波信息提取模型。首先结合实测齿鲸发射的声呐信号以及定向性波束,模拟生物声呐发声单元。并且通过虚拟回波产生方法分别生成水下悬浮目标与掩埋目标的回波,构建完整的齿鲸探测与识别过程中的目标回波信息处理链路。结合以上收发信号特性与参数,通过弹性散射理论分析水下目标回波的物理产生机理,时域结果表明齿鲸回声定位信号可以激发弹性柱壳的再辐射回波以携带目标特性信息。为了判断齿鲸探测识别目标所利用的回波特征成分,本文利用了分数阶傅里叶变换方法将镜面反射分量进行滤除,提取出纯弹性回波。在此基础之上,通过水池以及数值仿真,模拟了齿鲸区分柱壳厚度的实验,并对比完整回波和弹性回波对目标识别性能带来的差异,证据表明齿鲸可能利用弹性回波分量的时频特性实现对不同目标之间特征差异的细微感知区分。针对另一种重要的目标探测模式,本文开展了相应的齿鲸掩埋目标探测建模,模拟了齿鲸捕食泥沙中猎物的过程。首先利用等效流体模型分别对沙质海底与泥质海底进行建模,解析计算出沙质与泥质海底的等效流体密度、声速,以及相对应的声衰减系数。将海底模型与齿鲸头部发声模型相结合,分别通过解析和数值计算相互验证的方式,计算出不同掠射角下的齿鲸发射波束的海底透射系数,定量地分析掠射角以及海底底质因素对齿鲸接收回波的影响。在最优掠射角的条件下,模拟出掩埋目标回波。计算结果表明齿鲸可能根据不同海底底质动态调整发射波束的掠射角,并且结果暗示了齿鲸可能通过调整其发射波束的掠射角以适应不同底质海底的复杂背景环境。同时该结果为进一步研究齿鲸探测掩埋目标的生物机理提供了静态分析模型。在齿鲸目标探测静态分析模型的基础上,本文重点对白鲸以及宽吻海豚的目标探测实验数据进行分析,以挖掘生物声呐发射参数根据目标特征信息进行主动调控的动态过程。为了提取回声定位脉冲串内信号,本文提出了以生物发声规律为修正准则的相关检测器,对提取后的漏检与错检情况进行修正。通过对一系列单脉冲回声定位信号进行时、频分析,发现齿鲸探测脉冲串内的能量分布,可以通过单脉冲信号的多分量结构的进行连续性调整,并且脉冲串内的能量分布可以划分为恒定频率型与扫频型。在此基础之上,本文提出了一种仿生动态脉冲串模型,将实测数据进行建模重构,并利用静态的有限元模型产生生物实验中的虚拟回波,建立齿鲸目标探测的动态收发链路重构齿鲸目标探测实验的信号收发过程。从结果中可以发现扫频型脉冲串可以通过提高局部信噪比实现细微目标特征提取,而恒定频率型将重点观察特定频带的目标特征,这暗示了齿鲸可能通过发射不同能量分布种类的回声定位脉冲串实现目标最优化的探测与识别。针对须鲸生物声呐协助围捕行为,本文聚焦于最具代表性的座头鲸气泡网声墙捕猎行为开展结合实测数据的仿真分析。首先根据实测气泡网的几何参数,本文首次构建了三维气泡网模型,并且根据实测的海上气泡大小分布对气泡网内的介质建立了线性等效建模,并解析计算出该气泡网模型的声传播参数。利用三维有限元模型分别对三维螺旋体气泡网和圆柱形气泡网进行声场的数值计算,并且重点讨论了气泡大小分布、气体体积分数对气泡网声效应的影响。结果表明座头鲸捕猎声在气泡网内可以产生强烈的聚能效应,这种效应可以在气泡网墙内产生强烈的声压场以及质点振速场,同时在气泡网包裹的无气泡水的中心区域将形成相对“安静”的区域。为了评估被捕猎物对气泡网声墙的反应,本文结合了鲱鱼的听力曲线与鱼鳔共振频率,证明了座头鲸气泡网的声墙效应可以有效地协助座头鲸实现大范围围捕,并进一步揭示了座头鲸生物声呐的围捕工作机理。


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