齿鲸生物声呐目标探测研究综述

An overview of mechanism of target detection by odontocetes biosonar

宋忠长, 张金虎, 冯文, 杨武夷, 张宇

物理学报. 2021, 70 (15): 154302

doi: 10.7498/aps.70.20210284

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文章导读

水下目标探测研究具有重要的实用价值，声波是当前水声探测的主要手段。已有的水下目标探测系统为实现指向性探测，需依靠大量换能器组成阵列，可长达数十米。自然界中存在天然的、小尺寸的齿鲸声呐系统，能够在水下高效地实现目标探测。齿鲸的目标探测依靠其前额声发射系统与下颌声接收系统，实现指向性发射与接收，进行目标探测，其研究内容涉及范围广。近年来，我国在齿鲸生物声学基础研究取得一定进展，从齿鲸声呐信号、声学行为、目标探测、声发射与声接收物理过程以及相关的仿生设计角度出发，丰富了国内外同行对该学科的理解。然如何从基础研究走向应用设计，参考齿鲸声呐系统设计人工声探测系统仍任重道远。

齿鲸依靠其声呐系统在水中进行目标探测。齿鲸依靠鼻道系统与气腔系统的气流变化驱动声唇(声源)产生声呐脉冲信号，经由前额软组织结构、气腔结构与固体上颌骨结构调控，形成波束，作用于目标，通过下颌声接收系统，接收目标回波。声呐系统的上颌骨、气囊系统、鼻道以及前额中的软组织相辅相成，形成声波发射通道。下颌骨、下颌内部脂肪、下颌外部脂肪与听小骨组成声接收通道，接收目标回波，通过分析目标回波中蕴含的时域、频域与能量等多维度信息，并进行非线性组合，实现目标探测与辨别。齿鲸生物声呐研究属于交叉学科研究。齿鲸声呐在目标探测方面，具有较强的自适应性与鲁棒性，能为人工声呐系统设计提供参考。

本文以前人工作为基础，对齿鲸声呐目标探测研究进行介绍，以目标探测实验测量、目标回波散射分析与仿齿鲸声呐系统为出发点，回溯齿鲸声呐目标探测的相关研究。齿鲸在目标探测过程中，会根据目标强度、回波的时频信息，自适应调整其声发射脉冲频率、发射系统几何形态，实现高效探测，是优越的水声探测系统。本文以主动声呐方程出发，首先探讨齿鲸目标探测实验中的目标强度、检测阈值与探测准确率、探测距离之间的联系。以此为基础，探讨齿鲸如何利用目标回波中的时域、频域等信息，实现目标探测。其次，从理论分析与仿齿鲸声呐信号实验出发，进一步探讨齿鲸在目标探测时如何利用回波的综合信息，对目标回波进行高阶处理，提高探测效率。最后参考齿鲸生物声呐建立数值模型与人工物理模型评估参考齿鲸声呐发射系统设计人工声目标探测系统的可行性。本综述为了解齿鲸声呐目标回波的工作原理提供了一个系统性的参考，为其背后包含的物理机制提供文献依据。后续研究中应加深对齿鲸动态目标探测机制的理解，并参考其工作原理，将研究从理论扩展至实用，设计人工声学目标探测系统。

图1 齿鲸声呐系统目标探测示意