水下声学监测技术

 就像麦克风在空气中收集声音一样，水下时，水听器可探测海洋中的声音信号。大多数水听器是基于某些陶瓷的特殊特性(压电性)，当受到压力变化时，会产生小电流。放入水中后，陶瓷水听器暴露在可向任何方向传播的水下声音中，会产生频率范围很广的小幅电压信号。

通过放大和记录水听器产生的电信号，可以非常精确地测量海洋中水下的声音。尽管一个水听器可以记录来自任何方向的声音，但多个水听器可以同时部署在一个阵列中，然后通过组阵形成的指向性，来“监测”360°方向的声音，其灵敏度甚至比单个水听器元件更高。

图1：2006年，在格陵兰岛跟踪独角鲸考察期间，国外科学家对独角鲸和其他海洋哺乳动物进行了水下声学记录。

 无论是组合成阵列，还是作为单个元件，水听器都是水声探测的基本传感器。目前，有几种技术可用于海洋水下声学监测。

声纳浮标

几十年来，美国海jun一直使用一种叫做声纳浮标的设备来记录敌方潜艇的声音。这种简单的装置可以从飞机或水面舰艇上投放。声纳浮标包括一个水下水听器和一个无线电发射机，将记录的水下声音信号发送回飞机或船只。通过以同一模式部署多个声纳浮标，可以确定“水下目标”的位置。声纳浮标已被用于海洋勘探，以及记录海洋哺乳动物的叫声和捕捉地震活动。该设备的寿命很短(只有几个小时)，无法长期监测海洋声音。

图2：一个声纳浮标从国外舰船上投放。

海底观测网水听器阵

一种更昂贵但长期布放的水下声学监测技术是安装一个连接到水下通信电缆的水听器阵列。自20世纪60年代以来，美国*已经在海洋的许多地区为jun事应用运行了这样一个水下声学监视系统(SOSUS)。随着1989年柏林墙的倒塌和冷战的结束，美国海jun向民间科学界开放了SOSUS的“研究用途”，以评估其在海洋环境监测中的价值。

自1991年以来，美国国家海洋和大气管理局已经成功地利用这些水下声学监测阵列探测到东北太平洋的海底火山爆发和同一区域的蓝鲸活动。该系统的探测范围如此之远，以至于利用部署在俄勒冈州和华盛顿州海岸的SOSUS阵列，已经成功地探测和定位了日本南部的火山震动。对SOSUS的访问受到限制，因为数据是保密的，而且只能在安全专用设备中使用。这些水听监测阵也不能覆盖全海洋，它们只部署在jun事敏感和需要的地区，因为成本实在太高。SOSUS的连接特性允许实时采集声学数据，但成本很高，SOSUS的总投资估计超过160亿美元。

针对加利福尼亚近海的先锋海山，进行的海洋中的声音2001年远征计划（The Sound in the Sea 2001 Expedition）安装了第一个深海长期海底观测网水听器阵，这是一条昂贵的海底观测网，由NOAA投资，可在先锋海山进行海洋实验。先锋海山海底观测网声学观测站是第一个用于长期监测海洋环境噪声及其该噪声对海洋生态环境影响的深水民用水听器阵列。该阵列由四个垂直悬挂在海底上方的水听器单元组成。这些声学数据可由科学家和公众通过万维网获得。

自治型水下声学潜标

在20世纪90年代中期，基于与SOSUS早期工作的成功，NOAA开发了便携式水听器，可以部署在海洋的任何地方。这些设备由一个陶瓷水听器和一个防水的压力盒组成，盒中包含所有的电池、控制电脑、时钟和其他维护水听器数年工作所需的电子设备。它们已被成功地用于海洋哺乳动物研究和地震研究，甚至被用于探测夏威夷南岸5000多公里范围内的滑坡。

这些仪器的优点是便于携带，也就是说，它们可以部署在海洋的任何地方。另一个优点是，与海底观测网系统(如SOSUS)相比，这些仪器相对便宜。主要的缺点是目前无法实时提供数据，必须等到船只重新访问系统部署地点并回收仪器。

待未来卫星网络等通信方式的进步将使高性价比的水听器潜标浮标的实时传输成为现实。便携式水听器阵列目前部署在赤道太平洋、阿拉斯加湾和亚速尔群岛南部的北大西洋。

图3：自治型水下声学潜标示意图。

实现全球声学监测

美国海底观测网SOSUS在敏感的军事区域提供了出色的实时水下声学监测。借助已废弃的水下jun用声学监测阵列和商业电信电缆，仍有可能在海洋的几个地点建立更多海底观测网声学监测站。

NOAA及其合作伙伴计划在海洋周围安装大量海底水听器阵列，作为NOAA海洋勘探计划的一部分。这些阵列将包括在增设的水听器监测站点，类似于先锋海山。并采用自治型水听器和其他新技术，来部署在海底观测网无法到达的海洋区域。这是一项很大的工程，其最终的目标是建立一个能够在尺度上观测海洋现象的系统。

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