張小康　鐘雙蓮　黃身欽等

關鍵詞：信號自動提取;聲暴露級向量;雙閾值觸發(fā);標準化歐氏距離;海洋噪聲

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

0引言

隨著人類開發(fā)利用海洋進程的日益加快，船舶航行、海洋資源開發(fā)和海洋工程建設等活動產生的水下噪聲對海洋生態(tài)產生的負面影響引起廣泛關注[1-2]。世界自然保護聯盟（IUCN）曾表達對海洋噪聲危害問題的關切，聯合國《生物多樣性公約》（CBD）在墨西哥召開締約方大會（COP）時對減少海洋噪聲以保護海洋生物多樣性的提案進行討論[3-5]。相關國家和國際組織的高度重視使海洋噪聲被列為海洋環(huán)境影響評價新的重要指標[5-6]。

跨海大橋、海底隧道、港口航道和海上風電場等大型海洋工程建設往往涉及打樁和爆破等暴烈的水下施工活動，所產生的寬頻、高強度和連續(xù)性的沖擊波噪聲對周邊海域海洋生物造成嚴重的不利影響，是海洋噪聲評估的重點監(jiān)控對象，須開展持續(xù)性監(jiān)測[6-8]。

大型海洋工程建設通常具有施工周期長和涉海面積大等特點。為有效評估其產生的海洋噪聲對周邊海域海洋生物的影響程度，通常須開展多站位和多水層的同步和連續(xù)監(jiān)測，由此記錄海洋原始噪聲數據。從海量的海洋原始噪聲數據中提取有效噪聲信號是準確評估海洋噪聲影響的前提，同時是繁瑣而繁重的任務。目前水聲信號自動提取的研究熱點是機器學習方法，即提取信號的時域、頻域和聽覺等參數特征，利用特征信息訓練神經網絡、隱馬爾科夫、K 鄰近和向量機等分類器，從而實現信號自動識別[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機樁基打樁等海洋工程噪聲信號特點的基礎上，提出基于聲暴露級向量的信號自動提取方法，實現從海量的海洋原始噪聲數據中快速和準確地提取海洋工程噪聲信號，為海洋噪聲的評估或研究提供有利條件。

1方法原理

大型海洋工程建設涉及的打樁、爆破和爆夯等活動所產生的沖擊波是短時間內的能量釋放。2min時長的某海洋工程打樁噪聲信號的時域波形如圖1所示。

與海洋原始噪聲信號相比，海洋工程噪聲信號的強度較大，在一定持續(xù)時間內具有相對穩(wěn)定的波形，且波形之間沒有嚴格的周期性，不存在相互干擾，每個波形均可視為單次隨機事件。

聲暴露級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周邊環(huán)境的噪聲污染程度[12]。聲暴露級的計算公式為：

式中：L_E表示聲暴露級;E 表示聲暴露量;T表示參考時間長度，通常取1s;t₁和t₂分別表示對噪聲事件的聲暴露量有顯著貢獻的時間起點和終點;p（t）表示t 時刻的聲壓;p₀表示水中的參考聲壓。

式（1）表明聲暴露級是某次噪聲事件在指定測量時間間隔內的能量累積。為避免測量時間間隔的差異對聲暴露級的計算結果產生影響，須設定選取“指定測量時間間隔”的標準。截取某海洋工程打樁噪聲信號如圖2所示。

由圖2可以看出：與海洋工程噪聲信號相比，海洋原始噪聲信號的能量累積無明顯變化;當海洋工程噪聲信號出現時，其能量累積陡增;當海洋工程噪聲信號結束后，其能量累積又趨近于恒定值。因此，“指定測量時間間隔”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%的時刻分別選為t₁和t₂，t₁～t₂的時間長度即有效時間長度（τ）。將圖2（b）中選取的t₁和t₂對應到圖2（a）的疑似信號中，就能準確定位并提取海洋工程噪聲信號。

2方法實現

基于聲暴露級向量的信號自動提取方法實現的核心是計算疑似信號與樣本信號聲暴露級向量的標準化歐氏距離。為提高信號提取的效率和準確率，還須結合變步長截取分析、半波包絡雙閾值觸發(fā)和中心位置觸發(fā)等方法（圖3）。

2.1變步長截取分析

數字信號處理受限于計算機的運算能力，通常須將海量數據分割為若干片段并逐段分析，數據分割包括等步長截取和變步長截取2種分析方法。

等步長截取分析方法將偏移步長（λ）設置為分析數據段長度（L），這種“硬分割”方法在處理非周期信號時可能割斷信號，導致信號波形提取不完整或漏提取等問題。為解決這些問題，本研究采用變步長截取分析方法。變步長截取分析方法的原理為：根據當前截取的分析數據段（X_i）的分析結果，為下一分析數據段設置不同的偏移步長;若分析數據段為海洋背景噪聲信號而不含海洋工程噪聲信號，則將偏移步長設置為最近提取的海洋工程噪聲信號的有效時間長度（τ_j）;若分析數據段包含海洋工程噪聲信號，則將偏移步長設置為分析數據段起點至有效時間長度終點的長度（T_i）（圖4）。

變步長截取分析方法將當前分析數據段的分析結果作為下一分析數據段的截取依據，會造成分析數據段數量的增加;但考慮到海洋工程噪聲信號的非周期和時變性等特點，其與等步長截取分析方法相比能有效保證信號提取的完整性，并盡可能地避免信號的漏提取和重復提取。

2.2半波包絡雙閾值觸發(fā)

海洋工程噪聲信號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限對海洋原始噪聲信號進行初步篩選，可有效克服大幅度和窄寬度的海洋隨機脈沖干擾，減少誤觸發(fā)，從而提高數據處理效率。

本研究采用的半波包絡雙閾值觸發(fā)方法通過數字檢波提取正向信號包絡，并設置聲壓閾值（p_T）和信號包絡寬度閾值（w_T）作為雙觸發(fā)條件，觸發(fā)過程如圖2（c）所示。①在提取分析數據段的正向信號包絡后，計算正向信號包絡的均方根值（p_rms）。根據分析數據段和樣本信號的特點，設置聲壓閾值為正向信號包絡均方根值的若干倍。若未觸發(fā)聲壓閾值，則將分析數據段視為海洋背景噪聲信號;若觸發(fā)聲壓閾值，則繼續(xù)下一步的信號包絡寬度閾值觸發(fā)。②根據樣本信號和海洋隨機脈沖的寬度，設置合適的信號包絡寬度閾值。在正向信號包絡中獲取聲壓閾值對應的包絡寬度（w ），當其大于信號包絡寬度閾值時表示觸發(fā)成功，否則將分析數據段視為海洋隨機脈沖干擾。gzslib202204012243

半波包絡數字檢波的計算公式為：

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

2.3中心位置觸發(fā)

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

本研究根據某海洋工程打樁噪聲信號的特點，設計分析數據段長度為1.8×10⁵個采樣點，觸發(fā)區(qū)間為6.0×10⁴～1.2×10⁵個采樣點。當聲壓閾值在正向信號包絡上的觸發(fā)點（nT ）落在觸發(fā)區(qū)間內時，就可提取觸發(fā)區(qū)間內的疑似信號。

2.4信號提取

根據標準化歐氏距離可比較包含不同量綱的多維向量的相似性。通過各分量的均值（μ）和標準差（σ）將分量標準化為無量綱分量，由無量綱分量求得標準化歐氏距離[13]。

本研究提出的疑似信號提取方法即計算疑似信號與樣本信號聲暴露級向量的標準化歐氏距離，由此判定疑似信號是否為樣本信號的同類信號。當標準化歐氏距離小于根據經驗預設的判決閾值（d_T）時，疑似信號即樣本信號的同類信號。疑似信號與樣本信號聲暴露級向量的標準化歐氏距離的計算公式為：

海洋工程噪聲信號可被視為慢時變信號，在短時間內能保持相對穩(wěn)定，但在整個施工周期內會有較大起伏，因此采用相同的樣本信號不利于海洋工程噪聲信號的準確提取。本研究的初始樣本信號可從分析數據段中提取，其后將最近提取的海洋工程噪聲信號作為新的樣本信號，使樣本信號的更新遵循分析數據段的變化特征，有效提高疑似信號與樣本信號的相似度，從而提高信號提取的準確率。

3驗驗證

實驗驗證的原始數據來源于大連莊河海上風電場某風機機樁嵌巖施工監(jiān)測，通過距樁機不同距離的3個站點和多水層的持續(xù)聲學測量同步記錄到7個通道、每個通道時長約為55min的完整打樁噪聲數據。分別對原始數據進行人工提取和自動提取，以評估本研究提出的信號自動提取方法的性能。

采用人工提取方法從7個通道中提取信號的數量略有差異，主要為2個原因。①不同距離和水深條件造成傳輸通道的差異，致使實際記錄數據存在略微偏差;②人工提取出現遺漏?？紤]到各通道信號提取數量的差異很小，可將其最大值即1948個作為實際信號數量，以評估2種提取方法的準確率。

根據7個通道的信號提取結果，自動提取的準確率為99.28%～99.69%，與人工提取相比略低，但偏差均控制在0.5%以內，表明自動提取的結果可靠，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幅度和信號波形存在較大差別，而各通道的自動提取準確率偏差均不超過0.5%，表明自動提取方法針對不同幅度和波形的海洋工程噪聲信號均具有穩(wěn)健的提取性能。

4結語