水下聲學監(jiān)測技術(shù)

 就像麥克風在空氣中收集聲音一樣，水下時，水聽器可探測海洋中的聲音信號。大多數(shù)水聽器是基于某些陶瓷的特殊特性(壓電性)，當受到壓力變化時，會產(chǎn)生小電流。放入水中后，陶瓷水聽器暴露在可向任何方向傳播的水下聲音中，會產(chǎn)生頻率范圍很廣的小幅電壓信號。

通過放大和記錄水聽器產(chǎn)生的電信號，可以非常精確地測量海洋中水下的聲音。盡管一個水聽器可以記錄來自任何方向的聲音，但多個水聽器可以同時部署在一個陣列中，然后通過組陣形成的指向性，來“監(jiān)測”360°方向的聲音，其靈敏度甚至比單個水聽器元件更高。

圖1：2006年，在格陵蘭島跟蹤獨角鯨考察期間，國外科學家對獨角鯨和其他海洋哺乳動物進行了水下聲學記錄。

 無論是組合成陣列，還是作為單個元件，水聽器都是水聲探測的基本傳感器。目前，有幾種技術(shù)可用于海洋水下聲學監(jiān)測。

聲納浮標

幾十年來，美國海jun一直使用一種叫做聲納浮標的設(shè)備來記錄敵方潛艇的聲音。這種簡單的裝置可以從飛機或水面艦艇上投放。聲納浮標包括一個水下水聽器和一個無線電發(fā)射機，將記錄的水下聲音信號發(fā)送回飛機或船只。通過以同一模式部署多個聲納浮標，可以確定“水下目標”的位置。聲納浮標已被用于海洋勘探，以及記錄海洋哺乳動物的叫聲和捕捉地震活動。該設(shè)備的壽命很短(只有幾個小時)，無法長期監(jiān)測海洋聲音。

圖2：一個聲納浮標從國外艦船上投放。

海底觀測網(wǎng)水聽器陣

一種更昂貴但長期布放的水下聲學監(jiān)測技術(shù)是安裝一個連接到水下通信電纜的水聽器陣列。自20世紀60年代以來，美國*已經(jīng)在海洋的許多地區(qū)為jun事應(yīng)用運行了這樣一個水下聲學監(jiān)視系統(tǒng)(SOSUS)。隨著1989年柏林墻的倒塌和冷戰(zhàn)的結(jié)束，美國海jun向民間科學界開放了SOSUS的“研究用途”，以評估其在海洋環(huán)境監(jiān)測中的價值。

自1991年以來，美國國家海洋和大氣管理局已經(jīng)成功地利用這些水下聲學監(jiān)測陣列探測到東北太平洋的海底火山爆發(fā)和同一區(qū)域的藍鯨活動。該系統(tǒng)的探測范圍如此之遠，以至于利用部署在俄勒岡州和華盛頓州海岸的SOSUS陣列，已經(jīng)成功地探測和定位了日本南部的火山震動。對SOSUS的訪問受到限制，因為數(shù)據(jù)是保密的，而且只能在安全專用設(shè)備中使用。這些水聽監(jiān)測陣也不能覆蓋全海洋，它們只部署在jun事敏感和需要的地區(qū)，因為成本實在太高。SOSUS的連接特性允許實時采集聲學數(shù)據(jù)，但成本很高，SOSUS的總投資估計超過160億美元。

針對加利福尼亞近海的先鋒海山，進行的海洋中的聲音2001年遠征計劃（The Sound in the Sea 2001 Expedition）安裝了第一個深海長期海底觀測網(wǎng)水聽器陣，這是一條昂貴的海底觀測網(wǎng)，由NOAA投資，可在先鋒海山進行海洋實驗。先鋒海山海底觀測網(wǎng)聲學觀測站是第一個用于長期監(jiān)測海洋環(huán)境噪聲及其該噪聲對海洋生態(tài)環(huán)境影響的深水民用水聽器陣列。該陣列由四個垂直懸掛在海底上方的水聽器單元組成。這些聲學數(shù)據(jù)可由科學家和公眾通過萬維網(wǎng)獲得。

自治型水下聲學潛標

在20世紀90年代中期，基于與SOSUS早期工作的成功，NOAA開發(fā)了便攜式水聽器，可以部署在海洋的任何地方。這些設(shè)備由一個陶瓷水聽器和一個防水的壓力盒組成，盒中包含所有的電池、控制電腦、時鐘和其他維護水聽器數(shù)年工作所需的電子設(shè)備。它們已被成功地用于海洋哺乳動物研究和地震研究，甚至被用于探測夏威夷南岸5000多公里范圍內(nèi)的滑坡。

這些儀器的優(yōu)點是便于攜帶，也就是說，它們可以部署在海洋的任何地方。另一個優(yōu)點是，與海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)(如SOSUS)相比，這些儀器相對便宜。主要的缺點是目前無法實時提供數(shù)據(jù)，必須等到船只重新訪問系統(tǒng)部署地點并回收儀器。

待未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等通信方式的進步將使高性價比的水聽器潛標浮標的實時傳輸成為現(xiàn)實。便攜式水聽器陣列目前部署在赤道太平洋、阿拉斯加灣和亞速爾群島南部的北大西洋。

圖3：自治型水下聲學潛標示意圖。

實現(xiàn)全球聲學監(jiān)測

美國海底觀測網(wǎng)SOSUS在敏感的軍事區(qū)域提供了出色的實時水下聲學監(jiān)測。借助已廢棄的水下jun用聲學監(jiān)測陣列和商業(yè)電信電纜，仍有可能在海洋的幾個地點建立更多海底觀測網(wǎng)聲學監(jiān)測站。

NOAA及其合作伙伴計劃在海洋周圍安裝大量海底水聽器陣列，作為NOAA海洋勘探計劃的一部分。這些陣列將包括在增設(shè)的水聽器監(jiān)測站點，類似于先鋒海山。并采用自治型水聽器和其他新技術(shù)，來部署在海底觀測網(wǎng)無法到達的海洋區(qū)域。這是一項很大的工程，其最終的目標是建立一個能夠在尺度上觀測海洋現(xiàn)象的系統(tǒng)。

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