[論文レビュー] NEMO-\onde: a submarine station for real-time monitoring of acoustic background installed at 2000 m depth in the Mediterranean Sea

the NEMO Collaboration, L. Coséntino+6 more|ArXiv.org|Apr 17, 2008

Marine animal studies overview参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、地中海の2000 m深度で運用される深海マイクロホンアレイ、NEMO-O uDEステーションを提示する。このシステムは、水中音響ノイズのリアルタイムで長期にわたるモニタリングを可能にする。4本のマイクロホンを装備し、30 Hzから43 kHzの周波数帯域で動作し、24ビット、96 kHzのデジタル化を実現。2000時間以上のデータを記録し、信頼性の高い運用を示した。また、環境ノイズの特徴づけ、約5°の角度誤差を伴う音源の局所化、マッコウクジラなどの海洋哺乳類の検出を可能にした。

ABSTRACT

The NEMO (NEutrino Mediterranean Observatory) Collaboration installed, 25 km E offshore the port of Catania (Sicily) at 2000 m depth, an underwater laboratory to perform long-term tests of prototypes and new technologies for an underwater high energy neutrino km$^3$-scale detector in the Mediterranean Sea. In this framework the collaboration deployed and successfully operated for about two years, starting form January 2005, an experimental apparatus for on-line monitoring of deep-sea noise. The station was equipped with 4 hydrophones and it is operational in the range 30 Hz - 43 kHz. This interval of frequencies matches the range suitable for the proposed acoustic detection technique of high energy neutrinos. Hydrophone signals were digitized underwater at 96 kHz sampling frequency and 24 bits resolution. A custom software was developed to record data on high resolution 4-channels digital audio file. This paper deals with the data analysis procedure and first results on the determination of sea noise sound pressure density curves. The stored data library, consisting of more than 2000 hours of recordings, is a unique tool to model underwater acoustic noise at large depth, to characterise its variations as a function of environmental parameters, biological sources and human activities (ship traffic, ...), and to determine the presence of cetaceans in the area.

研究の動機と目的

• 地中海の2000 m深度で、長期的かつリアルタイムの深海音響ノイズモニタリングステーションを確立すること。
• アクウスティックニュートリノ検出に関連する広帯域（30 Hz – 43 kHz）における水中環境ノイズ場を特徴づけること。
• 電子機器のノイズと信号整合性を含め、深海環境下におけるマイクロホンベースのシステムの性能を評価すること。
• 長期間の音響記録を用いて、海洋哺乳類の発声と人為的音源の両方に関する学際的研究を可能にすること。
• 背景ノイズレベルと音源局所化能力を定量的に評価することで、将来的な音響ニュートリノ検出プロジェクトの基準データセットを提供すること。

提案手法

• シチリア島カタニア沖25 km、2000 m深度に4本のマイクロホンを備えたステーションを設置。NEMOテストサイトの一部として実施。
• 30 Hzから43 kHzの周波数応答を有する水中マイクロホンを用い、96 kHzのサンプリングレートと24ビットの解像度でデジタル化。
• 水中で直接4チャンネル音声データをリアルタイムかつ高解像度で記録するためのカスタムソフトウェアを実装。
• 平面波近似下での到達時間差（TDOA）法を用いて音源を局所化。
• 信号処理を用いて音圧密度スペクトルを推定し、標準的な海況ノイズモデルと比較。
• データ解析を海洋生物学者と連携させ、生物由来（例：マッコウクジラのクリック）および人為的（例：船舶交通）音源を同定・分類。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2000 m深度における地中海の長期的環境ノイズレベルと周波数分布は何か？
• RQ2 異なる周波数帯域において、測定されたノイズレベルは、標準的な海況ノイズモデル（例：海況0、2）と比較してどの程度か？
• RQ3 O uDEシステムは、マイクロホン間のTDOAを用いて遠方の音源をどの程度正確に局所化できるか？また、角度分解能はどの程度か？
• RQ4 生物由来の音源（例：マッコウクジラ）と人為的活動（例：船舶交通）は、合計音響背景にどの程度寄与しているか？
• RQ5 マッコウクジラのクリックのような既知の生物音を、深海環境下で信頼性高く検出・特徴づけられるか？

主な発見

• O uDEステーションは、2005年1月から2006年11月まで約22か月間、2000 m深度で高い信頼性を維持して運用された。
• 電子機器のノイズ功率スペクトルは、5 kHz以上で33 ± 0.3 dB（1 μPa²/Hz基準）であり、低ノイズ動作の設計要件を満たしていた。
• 13か月間（2005年5月〜2006年11月）の平均音圧密度は、25 kHz以上の周波数帯で海況2と一致した。
• 低周波数ノイズレベルは予想を上回っており、主に表面からの低周波音の伝搬が改善され、船舶交通などの人為的音源が寄与している。
• 2005年には231日中117日（50.6％の検出率）でマッコウクジラが検出され、この地域における存在頻度が以前の報告より高いことが示された。
• 4本のマイクロホンを用いたTDOAによる音源局所化は、平面波仮定下で方位角および天頂角ともに約5°の角度分解能を達成した。