國立台灣大學 水下聲學實驗室
National Taiwan University Underwater Acoustics Lab
海洋聲源偵測與定位研究
Study on the Detection and Localization of Underwater Sound Sources
國立台灣大學 水下聲學實驗室
National Taiwan University Underwater Acoustics Lab
國立臺灣大學工程科學及海洋工程學研究所 碩士論文
作者：陳昶志 指導教授：陳琪芳
本研究分析放置於雲林新虎尾溪口附近之兩組雙聲道之水下錄音器音檔，其主要用於監測中華白海豚之鳴音，亦可用於分析航經船舶噪聲。透過NTU_PAM先篩選出鯨豚哨叫聲，或使用船舶噪聲音檔逕行短基線到達時間差定位，計算出方位角連續變化，結合水下音傳模擬計算之距離結果，探討其移動軌跡並達到定位目的。由於兩組不同之水下錄音系統存在時間偏移，本研究為消除系統時間偏移，同時針對時間校正探討。以SM3M 水下麥克風為例，外界聲源如敲擊聲及船舶噪聲，校正前之偏移量約為每小時26 毫秒，經校正後其偏移量可精確至每小時30 微秒。證實經過適當校正可消除兩系統間之時間偏移，且此時間校正方法可應用於不同儀器間。定位結果顯示，鯨豚在5 分鐘音訊紀錄中，游向變化為由西北方經由測點西側往西南方，且距離測點約100 至120 公尺。船舶偵測部分，其訊雜比最低至1.24 dB時仍可偵測船舶方位角變化，且可在較微弱訊號中排除多餘之雜訊。因此在與AIS相同時間資訊之情況下，並考量GPS 之定位誤差，船舶定位結果誤差範圍介於71.4 至 91.4公尺。
關鍵字：被動式聲學監測、到達時間差定位法、陣列元素自我同步、中華白海豚、船舶噪聲
一、研究目的
2018年中華民國海洋委員會成立，其權責範圍為統整各部會海洋相關事務之最高主管機關，並於2020年公告「中華白海豚野生動物重要棲息環境範圍中華白海豚棲息地」。近年來政府所興建之離岸風力發電，其坐落範圍涵蓋中華白海豚棲地熱區。因此使用水下被動聲學偵測，並透過鯨豚鳴音得知是否出現於該海域附近，本研究以兩台水下錄音設備探討解析其移動軌跡之可行性。
二、研究方法
圖1 SM3M水下聲學記錄器架設圖(左) 水下聲學記錄器佈放點位(右)
本研究將兩組雙聲道水下麥克風系統所錄製之音檔經過外界的聲音訊號進行校正，並分析其長時間偏移之趨勢及特性。將校正完成之音檔進行到達時間差定位，鯨豚的部分為利用哨叫聲偵測器抓取鯨豚哨叫聲訊號所在之時間片段後，進行交互相關計算所得之方位角，再進行距離估算聲源訊號之距離；船舶則是透過方位角之連續變化進行訊號擷取，再進行距離估算聲源訊號之距離，並將方位角及距離兩者進行結合達到定位之目的。
圖2 麥克風擺放位置圖(左) 平面波到達時間差示意圖(右)
由於兩組不同之水下錄音系統其存在時間偏移，且時間的同步與否極為重要，本研究同時也須消除系統時間偏移，因此同時會貞針對時間校正進行分析。藉由麥克風擺放方位垂直及水平呈現幾何對稱，並基於短基線定位法其接收之訊號皆為平面波，因此且Δa、Δb之間以及Δc、Δd之間其到達時間差應相同(圖2右)。
三、校正結果
圖3 校正前偏移(左) 校正後偏移(右)
透過圖3 (左)可得知時間偏移量隨時間變化呈線性分布，因此隨著錄製時間增加，其系統時間偏移則越大。若經校正後，可明顯看出系統間之線性時間偏移被消除(圖3右)，惟仍有些微小偏約落於 ±30微秒之內。
四、定位結果
圖4 各麥克風擷取之哨叫聲(左) 鯨豚定位路徑(右)
使用2019/05/20 20:00 ~ 20:59之偵測結果，將偵測到之哨叫聲經由模擬計算鯨豚離測點之距離與方位角兩者結合並繪製於地圖上(圖4右)，可明顯看出在5分鐘內鯨豚有明顯的游向變化，為由西北方經由A點西側往西南之游向，且距離A測點約120 ~ 100公尺。其中，於44分至45分時鯨豚之哨叫聲壓位準較高，因此透過模擬之定位結果會有向側點內縮之趨勢。
圖5 船舶噪聲(左) 船舶定位路徑(右)
由圖5 (右) 所示，紅色十字符號為A測點，綠色公尺字符號為AIS船舶座標資料點，不同顏色之定位點為四組不同聲壓位準之定位及航行軌跡結果，Tug以及Cargo之參考船舶種類，其航行軌跡與AIS的定位資料最為接近，並且比較同時間的情況，於2019/05/13 01:14:07時間下Tug船種之定位點，並考量船舶AIS設備的量測誤差下，其誤差介於71.4 ~ 91.4公尺。
五、結論
本研究於系統時間同步的部分，在使用兩台水下錄音機進行偵測時，系統間確實存在時間偏移。本研究以兩台SM3M為例，並採用兩種不同聲源證實，經過適當之校正可消除其偏移量，且時間偏移的消除可增加TDOA定位時的精確度；該校正方法若應用於不同儀器時，其校正之線性回歸參數可能不同，需重新進行取樣計算。在定位方面：第一為，可偵測出目標訊號之方位角連續變化，在較微弱之訊號中可以排除多餘之雜訊；第二為距離，藉由模擬聲源之音傳損耗來達到距離判定，針對各聲源之頻寬範圍進行模擬參數的細部調整，並將方位角及距離兩者結合，可繪製出目標物可能行徑之路徑範圍。