[论文解读] 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 7

一句话总结

本文介绍了NEMO-O uDE海洋观测站，该站点是部署在地中海2000米深海的深海水听器阵列，可实现对水下声学噪声的实时、长期监测。该系统配备四个水听器，工作频率范围为30 Hz至43 kHz，实现了24位、96 kHz的数字化采样，记录了超过2000小时的数据，表现出可靠的运行性能，并实现了环境噪声的表征、声源定位（约5°角误差），以及对抹香鲸等海洋哺乳动物的探测。

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.

研究动机与目标

• 在地中海2000米深海建立一个长期、实时的深海声学噪声监测站。
• 表征30 Hz至43 kHz宽频带范围内的水下环境噪声场，该频带与声学中微子探测密切相关。
• 评估水听器系统在深海环境下的性能，包括电子噪声和信号完整性。
• 通过长时间的声学记录，支持对海洋哺乳动物发声和人为噪声源的跨学科研究。
• 通过量化背景噪声水平和声源定位能力，为未来的声学中微子探测项目提供参考数据集。

提出的方法

• 作为NEMO测试站点的一部分，在意大利卡塔尼亚以东25公里处的2000米深海部署四水听器阵列。
• 使用频率响应范围为30 Hz至43 kHz的水听器，以96 kHz采样率和24位分辨率进行数字化。
• 开发定制软件，实现在水下直接对四通道音频数据进行实时、高分辨率记录。
• 应用到时差（TDOA）技术，在平面波近似下实现声源定位。
• 采用信号处理方法估算声压谱密度，并与标准海况噪声模型进行比较。
• 将数据分析与海洋生物学相结合，识别并分类生物源（如抹香鲸点击声）和人为源（如船舶交通）的声学信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地中海2000米深海，长期环境噪声水平及其频谱分布如何？
• RQ2 在不同频带内，实测噪声水平与标准海况噪声模型（如海况0、海况2）相比如何？
• RQ3 O uDE系统在利用水听器间TDOA技术定位远距离声源方面表现如何？其角分辨率是多少？
• RQ4 生物源（如抹香鲸）和人为活动（如船舶交通）对总声学背景的贡献程度如何？
• RQ5 该系统能否在深海条件下可靠地探测并表征已知的生物声学信号（如抹香鲸点击声）？

主要发现

• O uDE站点在2000米深度成功运行约22个月（2005年1月至2006年11月），表现出高度可靠性。
• 电子噪声功率谱在5 kHz以上频率测量值为33 ± 0.3 dB re 1 μPa²/Hz，符合低噪声运行的设计要求。
• 在13个月期间（2005年5月至2006年11月），海面噪声的平均声压谱密度与25 kHz以上频率的海况2模型一致。
• 低频段噪声水平高于预期，主要由于低频声波从海面更优的传播特性以及船舶交通等人为源的影响。
• 2005年期间，在231天的记录中，共检测到117天存在抹香鲸（检测率为50.6%），表明该区域抹香鲸的出现频率高于以往报道。
• 在平面波假设下，利用四水听器的TDOA技术进行声源定位，方位角和天顶角的角分辨率均达到约5°。