鲸类动物被动声学监测

本书的内容分为水声学、信号处理和被动声学监测三个部分。本书共10章，主要内容有水声学原理、鲸类动物叫声、声呐方程、检测方法、分类方法、定位与跟踪、被动声学监测系统与应用等。此外，本书评估了现有和未来被动声学监测系统所需的相关技术和工具，并提供MATLAB源代码以便读者重现仿真结果，进一步分析数据与算法性能。
本书是关于鲸豚动物被动声学监测系统的一部译著，适合海洋生物学、海洋保护、渔业管理、水声环境监测、生态系统监测、水生动物保护等领域的研究人员阅读使用。

译者序
致谢
导论
第一部分 水声学（物理基础）
第1章 水声学原理 3
1.1 以压力波形式存在的声音 3
1.1.1 波动方程 3
1.1.2 波动方程的解 7
1.1.3 波动方程周期解 9
1.1.4 波长-频率关系 11
1.1.5 声阻抗 11
1.1.6 平面波近似于球面波 12
1.1.7 声强 12
1.1.8 声能流 13
1.1.9 平均声强 14
1.1.10 总辐射声能 15
1.2 水下声音测量 15
1.2.1 分贝刻度的正式定义 15
1.2.2 声压级 16
1.2.3 强度比和分贝值转换 17
1.3 声速 17
1.3.1 空气中的声速 18
1.3.2 海水中的声速 19
1.4 声传播 24
1.4.1 斯内尔定律 24
1.4.2 界面的反射现象 25
1.4.3 海底界面 27
1.4.4 声吸收 29
1.5 信号、噪声及干扰 31
1.5.1 信号 31
1.5.2 噪声 32
第2章 鲸类动物叫声 34
2.1 鲸类动物分类 34
2.2 鲸类动物叫声分类 34
2.2.1 回声定位信号的一般特征 35
2.2.2 通信信号的一般特征 36
2.2.3 鲸类动物声音的一般表示 36
2.3 鲸类动物声音的时域特性 36
2.3.1 喙鲸嘀嗒声 37
2.3.2 海豚嘀嗒声 39
2.3.3 抹香鲸回声定位嘀嗒声 40
2.3.4 从远处接收到的抹香鲸嘀嗒声 42
2.3.5 抹香鲸咔嗒声 44
2.3.6 港湾鼠海豚嘀嗒声 44
2.3.7 嘀嗒声间隔 45
2.4 鲸类动物声音频域特性 46
2.4.1 频谱分析 46
2.4.2 鲸类嘀嗒声的频谱 52
2.5 鲸类动物声音的时频联合分析 54
2.5.1 理论背景 55
2.5.2 海豚哨声 63
2.5.3 脉冲呼叫 68
2.5.4 嗡嗡声和快速脉冲序列 75
2.5.5 呼叫声序列 76
2.5.6 鲸歌 78
2.6 声源指向性 79
2.7 鲸类动物声源级 81
2.8 鲸类动物分类 82
2.8.1 须鲸亚目(Suborder Mysticeti)：须鲸(baleen whale) 83
2.8.2 齿鲸亚目(Suborder Odontoceti)：齿鲸(toothed whale) 84
第3章 声呐方程 90
3.1 被动声呐方程 90
3.2 等效声源级 91
3.3 声传播 94
3.3.1 传播损失建模 95
3.3.2 可选的几何扩展定律 101
3.4 噪声级 102
3.4.1 噪声谱级 103
3.4.2 噪声掩蔽效应 103
3.4.3 表面噪声 103
3.4.4 表面噪声随深度的衰减 104
3.4.5 船舶噪声 104
3.4.6 湍流噪声 105
3.4.7 热噪声 105
3.4.8 总体环境噪声谱 105
3.5 阵增益 107
3.6 处理增益 109
3.7 检测阈 109
第二部分 信号处理（设计工具）
第4章 检测方法 113
4.1 检测回声定位嘀嗒声 113
4.1.1 阈值检测器 114
4.1.2 信号振幅、信号功率和信号包络 117
4.1.3 信号提取 120
4.1.4 预处理原始数据 123
4.1.5 序贯概率比检测器 126
4.1.6 检测性能 129
4.2 数据滤波 131
4.2.1 噪声均衡滤波器 131
4.2.2 带通滤波器 133
4.2.3 滤波器性能 135
4.3 信号检测脉冲压缩 136
4.3.1 匹配滤波器理论 136
4.3.2 露脊鲸上扫频叫声的匹配滤波 138
4.4 海豚哨声检测 140
4.4.1 频谱均衡 143
4.4.2 局部优选检测器 143
4.4.3 哨声频谱轮廓跟踪及提取 146
第5章 分类方法 153
5.1 分类基础 153
5.2 很优分类 154
5.2.1 二分类检测 156
5.2.2 呈高斯分布的特征矢量 157
5.2.3 方差分析 159
5.2.4 主分量 161
5.2.5 聚类分析 162
5.3 鲸类动物分类 169
5.3.1 嘀嗒声分类 169
5.3.2 深海潜水生物分类 173
5.3.3 嘀嗒声串分类 176
5.3.4 哨声分类 184
第6章 定位与跟踪 187
6.1 多水听器测距 187
6.2 三角测距 192
6.3 多路径测距 194
6.3.1 声源距离估计 195
6.3.2 声源深度估计 196
6.3.3 基于到达角的声源深度估计 197
6.3.4 仅使用到达角的声源深度估计 198
6.4 声学建模测距 198
6.5 到达时间差的测量 199
6.6 到达方向测量 200
6.7 三维测向 201
6.8 二维下的测向 203
6.9 波束形成 205
6.10 波束图 206
6.10.1 稀疏阵列波束形成 209
6.10.2 采样数据波束形成 212
6.11 跟踪 213
6.11.1 跟踪的基础知识 213
6.11.2 数据关联 214
6.11.3 数据滤波和状态预测 215
第三部分 被动声学监测（集成应用）
第7章 被动声学监测的应用 227
7.1 丰度估计 227
7.1.1 检测出某动物的概率 228
7.1.2 样线 230
7.1.3 样点 231
7.1.4 声线索计数 232
7.1.5 利用声音计算潜水次数 234
7.1.6 集群目标的密度估计 234
7.1.7 在样线及样点带中检测移动的鲸类 235
7.2 风险降低：不存在估计 237
7.3 栖息地和行为分析 239
7.3.1 协变量建模 240
7.3.2 声学及栖息地分析 242
7.4 罕见隐匿物种监测 242
7.5 记录声信息 243
第8章 检测函数 245
8.1 经验检测函数 245
8.2 最小均方参数估计 246
8.3 基于声呐方程的检测函数建模 246
8.3.1 针对离轴衰减建模 248
8.3.2 回声定位嘀嗒声的离轴分布 249
8.3.3 基于声呐方程的检测函数 250
8.4 动物行为建模 255
8.5 动物运动影响的建模 257
第9章 仿真采样策略 259
9.1 针对单点调查检测概率建模 260
9.2 单点调查模拟仿真 262
9.2.1 目标位置仿真 262
9.2.2 检测过程仿真 263
9.3 基于单点调查的丰度估计 265
9.4 随机移动动物的回声定位嘀嗒声距离分布 269
9.5 检测函数的随机仿真 275
9.5.1 距离和离轴联合概率分布 275
9.5.2 检测函数 276
9.5.3 基于模型的检测函数的优点 285
第10章 被动声学监测系统 286
10.1 硬件部分 286
10.1.1 水听器 286
10.1.2 水听器频率响应 287
10.1.3 前置放大器 292
10.1.4 模数转换器 297
10.1.5 非声学传感器 301
10.2 软件部分 302
10.2.1 数据采集模块 303
10.2.2 数据存储模块 304
10.2.3 信号处理模块 305
10.2.4 显示模块 305
10.2.5 监测模块 306
10.2.6 被动声学监测控制模块 307
10.3 被动声学监测系统实现 307
10.3.1 吊放水听器 307
10.3.2 拖曳阵列 308
10.3.3 声学浮标和自主被动声学监测系统 309
10.4 被动声学监测展望 310
参考文献 312
索引 343