CN101644771B - 一种用于水生哺乳动物的声学监测系统及方法 - Google Patents

一种用于水生哺乳动物的声学监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水生哺乳动物的声学监测系统及方法。该系统包括：声信号接收、声信号调理、声信号音频输出、声信号采集、声信号存储、数据处理和数据显示七个模块。该方法包括以下步骤：(1)设定系统运行参数；(2)录取水生哺乳动物的声信号；(3)根据录取的声信号数据，计算该声信号的时频域图；(4)从所述时频域图中提取该声信号的时频特征曲线；(5)根据所述时频域特征曲线判断水生哺乳动物的特征。本发明的优点在于：(1)本发明采用声学手段监测水生哺乳动物，此系统及方法受天气影响较小，监测距离远，可监测大带宽信号，并可以实现自动监测。(2)本发明可以同时采用人工监听和声信号特征分析两种方式进行监测。

Description

一种用于水生哺乳动物的声学监测系统及方法
技术领域
本发明涉及声纳信号处理及水生哺乳动物监测领域，特别涉及一种用于水生哺乳动物的声学监测系统及方法。 
背景技术
随着人类社会经济发展和人类的活动，人类对水生哺乳动物的生存造成了很大的影响。由于水环境污染，捕捞，水上交通等因素的影响，很多水生哺乳动物的生存都在面临着极大的威胁，部分水生哺乳动物已经处在灭绝的边缘。为了更好的对他们进行保护，需要对他们的生存状况和生活习性进行监测。 
目前普遍采用的光学手段(录像、拍照等)受气候以及水生哺乳动物在水下活动的限制。目前的光学拍照设备一般有可见光和红外两种方式，但这两种方式受天气影响都很大，如果遇到大雾或者其他能见度较差的天气，光学手段很难取得理想的监测效果。另外，由于海面上很难获取支撑物，所以光学仪器的布防位置一般离海面较近，所以光学仪器的视野会受到很大的限制。 
很多水生哺乳动物如鲸鱼、海豚、江豚等利用声音进行种群个体之间的交流、探测周围环境、发现猎物等。相对可见光来说，声波在水中的传播损失要小得多，因此声学手段可以作为水生哺乳动物一种很好的监测手段。目前国内还没有采用声学手段对水声哺乳动物进行监测的产品，国际上这类产品大都依靠直接监听的方法对水声哺乳动物进行监测，其监听的频段主要在中低频段。水声哺乳动物发声的频率范围很宽，以海豚为例，其声音可以覆盖100Hz-200kHz的频段，因此，需要一种宽带信号的监测系统对水生哺乳动物进行监测。另外，单纯依靠监听的监测方法很难实现自动监测和对监测目标进行分类，应当充分利用水生哺乳动物声信号的时频结构对其进行自动监测。 
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种利用声学手段进行水生哺乳动物监测的系统及方法，采用本发明提出的声学监测设备可以很好的弥补光学监测手段的不足，为水生哺乳动物的监测提供一种新方法和系统方案。 
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于水生哺乳动物的声学监测系统，包 括： 
一声信号接收模块，用于根据设置的系统运行参数，接收水生哺乳动物的声信号。 
一声信号调理模块，用于将接收到的水生哺乳动物的声信号进行调理。 
一声信号采集模块，用于采集调理后的水生哺乳动物的声信号。 
一声信号储存模块，用于储存采集到的水生哺乳动物的声信号。 
一数据处理模块，用于对采集到的水生哺乳动物的声信号进行处理。及 
一数据显示模块，用于显示处理后的结果。 
其中，所述数据处理模块，根据水生哺乳动物的声信号计算该声信号的时频图，从所述时频图中提取该声信号的时频特征曲线，并通过所述时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征，完成对水生哺乳动物的监测过程。 
其中，所述监测系统还包括一声信号音频输出模块，用于对采集到的水生哺乳动物的声信号进行处理后，直接输出该声学信号的监听音频信号。 
其中，所述数据处理模块包括： 
一时频图计算模块，用于将采集到的水生哺乳动物的声信号通过傅立叶变换计算，得到该声信号的时频图： 
对声信号s1、s2、...，sn进行快速傅立叶变换，得到与声信号s1、s2、...，sn对应的信号频谱S1、S2、...，Sn，将所述信号频谱Sk，k＝0，1，2，......看作是一个向量，则由向量Sk，k＝0，1，2，......组成一个时频矩阵，该时频矩阵即为声信号的时频图。 
一特征曲线提取模块，用于从所述时频图中提取该声信号的时频特征曲线： 
首先选择声信号的幅度域值，对选取的处理区域进行二值化，然后对所述时频图中的连通区域进行跟踪，再选择声信号的长度域值，对跟踪结果进行确认，最后提取时频特征曲线，根据该声信号的时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征。 
其中，所述数据处理模块还包括一处理区域选取模块，用于在提取时频特征曲线之前，确定该时频特征曲线在时频图所处的位置。 
其中，所述系统运行参数包括：监测目标声信号频率范围、监测目标声信号时频曲线长度、声信号采样频率。 
其中，整套系统采用两种方式进行海豚监测，一种方式是通过音频输出直接监听海豚声信号；另外一种方式是通过数据处理监测海豚。数据显示模块主要显示数据处理模块对海豚声信号处理后结果，这里处理结果主要是指时频特征曲线。 
本发明还提供了一种用于水生哺乳动物的声学监测方法，包括以下步骤： 
(1)设定系统运行参数；所述系统运行参数包括：监测目标声信号频率范围、 监测目标声信号时频曲线长度、声信号采样频率。 
(2)录取水生哺乳动物的声信号。 
(3)根据录取的声信号数据，计算该声信号的时频图。 
(31)积累水生哺乳动物的声信号数据；为了达到一定的频率分辨率，海豚声信号数据需要累积一定的时间长度，假设累积的时间长度为Δt。同时，为了保证时频图在时间轴上的采样率，可以使前后两端声信号数据之间存在一定的重叠。 
(32)将水生哺乳动物的声信号通过傅立叶变换计算，得到该声信号的时频图： 
对声信号s1、s2、...，sn进行快速傅立叶变换，得到与声信号s1、s2、...，sn对应的信号频谱S1、S2、...，Sn，将所述信号频谱Sk，k＝0，1，2，......看作是一个向量，则由向量Sk，k＝0，1，2，......组成一个时频矩阵，该时频矩阵即为声信号的时频图。 
(33)选取处理区域： 
时频图的像素数比较多，为了提高计算效率，在提取时频特征曲线之前，需要确定时频特征曲线在时频图所处的位置，这些工作通过处理区域选取模块完成。 
(4)从所述时频图中提取该声信号的时频特征曲线： 
(41)选择声信号的幅度域值，对选取的处理区域进行二值化。 
(42)对所述时频图中的连通区域进行跟踪。 
(43)选择声信号的长度域值，对跟踪结果进行确认。 
(44)提取最终的时频特征曲线，根据该声信号的时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征。 
(5)根据所述时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征。 
其中，所述监测方法还包括一利用声信号音频输出模块对采集到的水生哺乳动物的声信号进行处理后，直接输出该声学信号的监听音频信号的步骤。 
本发明的优点在于： 
(1)本发明采用声学手段监测水生哺乳动物，此系统及方法受天气影响较小，而且具有监测距离远，可监测大带宽信号，并可以实现自动监测。 
(2)本发明可以同时采用人工监听和声信号特征分析两种方式进行监测。 
附图说明
图1是本发明用于水生哺乳动物的声学监测系统的结构图； 
图2是本发明用于水生哺乳动物的声学监测方法的流程图； 
图3是本发明实施例声信号数据累积和时频图构建示意图； 
图4是本发明实施例时频图示意图； 
图5是本发明实施例选择处理区域示意图； 
图6是本发明实施例时频特征曲线示意图。 
具体实施方式
具体实施例以一种水生哺乳动物海豚为例，结合本发明提出的方法和系统方案对海豚的声学监测方法及系统进行说明。 
本实施例的用于水生哺乳动物的声学监测系统，如图1所示，包括：声信号接收、声信号调理、声信号音频输出、声信号采集、声信号存储、数据处理和数据显示七个模块。 
在上述系统模块中，声信号接收采用水听器，声信号采集采用采集卡或者AD器件，数据存储通过硬盘或者其他存储设备，声信号接收和声信号采集模块之间通过电缆和电缆接头连接，声信号采集设备和声信号存储设备之间连接与采集设备和存储设备的类型有关，数据处理可以采用数字信号处理器(DSP)或者通用CPU(如x86等)，数据显示采用液晶显示器，数据显示设备可以根据需要选择配置。 
海豚生活的水下世界视距有限，有的地方甚至非常混浊，正是这些环境因素造就了性能优异的海豚声纳系统，海豚声纳系统是千百年自然选择和进化的产物。通过声纳系统，海豚可以完成种群个体识别和定位、导航、避障、觅食、躲避天敌(如虎鲸等)多种任务。海豚发射的声音信号覆盖的频段特别宽，与海豚的种类以及海豚个体的年龄、性别以及生活环境等都有关系。一般来说，海豚发出的声音信号的频率范围为100Hz至200kHz，用于自我标志的哨声信号的频率较低(低于100kHz)，用于环境探测的声信号的频率相对较高(最大可达200kHz)。 
根据海豚发出的声信号的特点，采用单通道500kHz的采样率，采样精度16位，前端采用球形水听器，水听器频率影响范围为500Hz至120kHz，水听器灵敏度为-180dB。信号调理模块的信号增益最大80dB，海豚声信号经过信号调理以后，同时音频输出和作为采集卡的输入。为了保证监测效果采用连续实时信号存储，数据可以根据需求选择不同的存储介质，这里最大数据率为1Mbytes/s，因此选择普通串口硬盘即可，存储容量大于500GByts。考虑到使用环境比较特殊，数据处理采用无风扇小型工控机，数据显示采用普通液晶显示器。 
整套系统采用两种方式进行海豚监测，一种方式是通过音频输出直接监听海豚声信号；另外一种方式是通过数据处理监测海豚。数据显示模块主要显示数据处理模块对海豚声信号处理后结果，这里处理结果主要是指时频特征曲线。 
下面，对海豚声信号数据处理模块的处理流程进行详细说明，如图2所示。 
(1)累积声信号数据： 
为了达到一定的频率分辨率，海豚声信号数据需要累积一定的时间长度，假设累积的时间长度为Δt。同时，为了保证时频图在时间轴上的采样率，可以使前后两端声信号数据之间存在一定的重叠。如图3所示，前后两端声信号数据之间在时间轴上存在toverlap长度的重叠。 
(2)计算信号频谱： 
数据累积完成以后，采用快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transfrom)计算信号频谱。如图3所示，对信号s1进行快速傅立叶变换后得到其频域表示S1。 
(3)构建时频图： 
在海豚监测过程中，连续采集声信号，连续采集过程中重复完成s1、s2、...，sn声信号累积并计算信号频谱S1、S2、...，Sn，这里信号频谱Sk，k＝0，1，2，......可以看作是一个向量，则由向量Sk，k＝0，1，2，......组成一个时频矩阵，此时频矩阵即时频图。图4中给出了一个海豚声信号时频图构建的实例。 
(4)选取处理区域： 
时频图的像素数比较多，为了提高计算效率，在提取时频特征曲线之前，需要确定时频特征曲线在时频图所处的位置，这些工作通过处理区域的选择完成。图5给出了两个选择的处理区域，其中区域R1和R2中均包含了海豚声信号的时频特征曲线。 
(5)提取时频特征曲线： 
(51)选择幅度域值，对选取的处理区域进行二值化。 
(52)对图像中的连通区域进行跟踪。 
(53)选择长度域值，对跟踪结果中进行确认。 
(54)提取最终的时频特征曲线，根据所述时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征。图5中区域R1和R2中绘制了提取的海豚声信号的时频特征曲线。 
图6中给出了同一种群中三个不同海豚个体(A、B、C)的时频特征曲线，其中多次提取了每只海豚个体的时频特征曲线，从图6中可以看出，不同的海豚个体的时频特征曲线具有不同的特征，在图6中可以通过海豚声信号的时频特征曲线实现声学手段对海豚的监测。 

Claims (8)

1.一种用于水生哺乳动物的声学监测系统，所述声学监测系统包括：
一声信号接收模块，用于根据设置的系统运行参数，接收水生哺乳动物的声信号；
一声信号调理模块，用于将接收到的水生哺乳动物的声信号进行调理；
一声信号采集模块，用于采集调理后的水生哺乳动物的声信号；
一声信号储存模块，用于储存采集到的水生哺乳动物的声信号；
一数据处理模块，用于对采集到的水生哺乳动物的声信号进行处理；及
一数据显示模块，用于显示处理后的结果；
其特征在于，
所述数据处理模块，根据水生哺乳动物的声信号计算该声信号的时频图，从所述时频图中提取该声信号的时频特征曲线，并通过所述时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征，完成对水生哺乳动物的监测过程；
所述数据处理模块包括：
一时频图计算模块，用于将采集到的水生哺乳动物的声信号通过傅立叶变换计算，得到该声信号的时频图；
对声信号s1、s2、...，sn进行快速傅立叶变换，得到与声信号s1、s2、...，sn对应的信号频谱S1、S2、...，Sn，将所述信号频谱Sk，k＝0，1，2，......看作是一个向量，则由向量Sk，k＝0，1，2，......组成一个时频矩阵，该时频矩阵即为声信号的时频图；
一特征曲线提取模块，用于从所述时频图中提取该声信号的时频特征曲线：
首先选择声信号的幅度域值，对选取的处理区域进行二值化，然后对所述时频图中的连通区域进行跟踪，再选择声信号的长度域值，对跟踪结果进行确认，最后提取时频特征曲线，根据该声信号的时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征。
2.根据权利要求1所述的声学监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括一声信号音频输出模块，用于对采集到的水生哺乳动物的声信号进行处理后，直接输出该声学信号的监听音频信号。
3.根据权利要求1所述的声学监测系统，其特征在于，所述数据处理模块还包括一处理区域选取模块，用于在提取时频特征曲线之前，确定该时频特征曲线在时频图所处的位置。
4.根据权利要求1所述的声学监测系统，其特征在于，所述系统运行参数包括：监测目标声信号频率范围、监测目标声信号时频曲线长度、声信号采样频率。
5.一种用于水生哺乳动物的声学监测方法，该方法包括以下步骤：
(1)设定系统运行参数；
(2)录取水生哺乳动物的声信号；
(3)根据录取的声信号数据，计算该声信号的时频图；
所述步骤(3)包括：
(31)积累水生哺乳动物的声信号数据；
(32)将水生哺乳动物的声信号通过傅立叶变换计算，得到该声信号的时频图：
对声信号s1、s2、...，sn进行快速傅立叶变换，得到与声信号s1、s2、...，sn对应的信号频谱S1、S2、...，Sn，将所述信号频谱Sk，k＝0，1，2，......看作是一个向量，则由向量Sk，k＝0，1，2，......组成一个时频矩阵，该时频矩阵即为声信号的时频图；
(4)从所述时频图中提取该声信号的时频特征曲线；步骤包括：
(41)选择声信号的幅度域值，对选取的处理区域进行二值化；
(42)对所述时频图中的连通区域进行跟踪；
(43)选择声信号的长度域值，对跟踪结果进行确认；
(44)提取最终的时频特征曲线，根据该声信号的时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征；
(5)根据所述时频特征曲线判断水生哺乳动物的特征。
6.根据权利要求5所述的声学监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括一利用声信号音频输出模块对采集到的水生哺乳动物的声信号进行处理后，直接输出该声学信号的监听音频信号的步骤。
7.根据权利要求5所述的声学监测方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括一在提取时频特征曲线之前，确定该时频特征曲线在时频图所处的位置的步骤。
8.根据权利要求5所述的声学监测方法，其特征在于，所述系统运行参数包括：监测目标声信号频率范围、监测目标声信号时频曲线长度、声信号采样频率。
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