CN101650430B - 一种海豚声信号录取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海豚声信号录取系统及方法。该系统包括干端和湿端两部分；其中湿端包括供电模块、声信号接收模块、信号放大和滤波模块、声信号检测模块、数据采集模块、数据存储模块、数据发送模块；干端包括数据接收和显示模块。海豚声信号检测模块，包括：声信号阈值检测模块、滴答脉冲串脉冲分解模块和滴答脉冲串判断模块。该系统及方法根据海豚声行为和声信号特点、海洋环境特点自动高效录取海豚声信号；利用蓄电池和太阳能电池供电，降低了海豚声信号录取系统对工作环境的要求，提高系统的工作时间；并利用无线数据传输，实现对海豚声信号的自动远程监测和录取。具有低功耗、自动录取以及数据无线传输的功能。

Description

一种海豚声信号录取系统及方法

技术领域

本发明涉及声信号处理领域，特别涉及一种海豚声信号录取系统及方法。

背景技术

在水中，海豚通过声音进行相互交流、捕捉食物、探测环境、自我标志等等。海豚声信号的研究对于海豚声行为、海豚声纳仿生以及海豚种群监测均有比较重要的意义。通过对海豚声信号研究，有助于对海豚种群行为的理解；另外，对海豚仿生声纳研究具有重要的意义。

海豚声信号录取是海豚声纳信号研究的前提，根据相关文献，海豚发声的频率范围介于1KHz-200KHz之间，不同种类的海豚的发声特性有一定的不同，反映在频率特性上有几十kHz的差别。海豚探测环境声信号的频率较高，海豚的哨声和通信信号频率较低，海豚声信号涉及的频带较宽，对信号采样率、存储速度和存储空间都有很高的要求，从而对海豚声信号的录取工作造成困难。另外，海豚的生活环境为海洋，这对海豚声信号录取设备的供电、可靠性和稳定都提出了更高的要求，采用一般的声信号录取设备很难完成海豚声信号录取的工作。综合来看，海豚声信号录取设备面临的主要问题包括持续工作时间、数据传输、信号采样率、存储速度和存储空间等，其中持续工作时间主要由供电设备、系统功耗以及系统存储空间决定。为了解决这些问题，需要在一下几个方面取得突破：

(1)采用电池供电，而不是采用通用的220V供电，以消除海豚声信号录取系统对环境的依赖性；寻求新的能源供应方式，最大限度延长系统的连续工作时间；

(2)通过海豚声信号的自动检测技术降低系统功耗，只有当海豚出现并且发出声信号的时候才启动海豚声信号录取系统，降低能源消耗，同时减少无用数据占用存储空间；

(3)利用无线网络进行数据传输，这样可以利用母船或者岸边布置的干端设备定期将湿端存储的数据备份后并清空，最大限度的减少对海豚声信号录取系统的收放操作，降低使用成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种海豚声信号录取系统及方法。该系统及方法根据海豚声行为特点、海洋环境特点自动高效录取海豚声信号；利用蓄电池和太阳能电池供电，降低了海豚声信号录取系统对工作环境的要求，提高系统的工作时间；并利用无线数据传输，实现对海豚声信号的自动远程监测和录取。具有低功耗、自动录取以及数据无线传输的功能。

为了达到上述目的，本发明提供的一种海豚声信号录取系统，该系统包括干端部分和湿端部分。

所述干端部分包括：

一数据接收模块，用于接收湿端部分发送的海豚声信号数据。

一数据显示模块，用于显示海豚声信号数据。

所述湿端部分包括：

一供电模块，用于向海豚声信号录取系统供电。

一声信号接收模块，用于接收海豚声信号，并将该声信号送入信号放大和滤波模块。

一信号放大和滤波模块，用于将接收到的海豚声信号放大、滤波，并送入数据采集模块。

一数据采集模块，用于采集海豚声信号数据。

一数据存储模块，用于存储采集到的海豚声信号数据。

一数据发送模块，用于将采集到的海豚声信号数据发送到干端部分。

一海豚声信号检测模块，用于根据海豚声信号的特点和设定的参数，利用滴答脉冲串检测海豚声信号，如果没有检测到海豚声信号，则海豚声信号录取系统处于休眠工作模式；如果检测到海豚声信号，则启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号。

其中，所述海豚声信号检测模块还包括：

一声信号阈值检测模块，用于将当前声信号强度S与强度阈值T比较，如果S≥T，则启动滴答脉冲串(Click脉冲串)脉冲分解模块；如果S＜T，则海豚声信号录取系统继续休眠。

一滴答脉冲串(Click脉冲串)脉冲分解模块，用于将Click脉冲串分解为独立的Click脉冲，并计算Click脉冲串中包含的脉冲个数n和平均脉冲宽度w。

一滴答脉冲串判断模块，用于判断当前声信号是否满足下式的条件：

n＞N，且w∈[W_min W_max]；

其中，N为脉冲串个数阈值；[W_min W_max]为脉冲宽度范围；

如果满足，则确定当前信号为有效的海豚声信号，启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号；如果不满足，则确定当前信号为其他声信号，海豚声信号录取系统继续处于休眠工作模式。

所述滴答脉冲串(Click脉冲串)脉冲分解模块利用差分法提取Click脉冲信号的局部顶点：

假设Click脉冲串信号为y(i)，首先利用公式d₁(i)＝y(i)-y(i-1)，计算Click脉冲信号的一次差分；其次利用公式s₁(i)＝sign(d₁(i))，提取Click脉冲信号的一次差分的符号；最后利用公式s₂(i)＝s₁(i)-s₁(i-1)，计算Click脉冲信号的二次差分；则Click脉冲信号的顶点处满足：s₂(i)＝-2。

所述滴答脉冲串脉冲分解模块通过Click脉冲的包络与Click脉冲信号的局部顶点的对应关系，将Click脉冲串分解为独立的Click脉冲。

其中，所述供电模块采用蓄电池与太阳能电池组合的方式向海豚声信号录取系统供电。其中蓄电池可以为铅酸电池、锂电池或者其他类型的电池，可以采用220V充电；太阳能电池由太阳能电池板充电。

本发明提供的一种海豚声信号录取方法，包括以下步骤：

(1)设置系统参数：

所述系统参数包括：海豚声信号的强度阈值T、Click脉冲宽度范围[W_min W_max]、信号持续录制时间dur，Click脉冲串个数阈值N。

(2)检测海豚声信号：

海豚声信号检测模块根据海豚声信号的特点和设定的参数，利用Click脉冲串检测海豚声信号，如果没有检测到海豚声信号，则海豚声信号录取系统处于休眠工作模式；如果检测到海豚声信号，则启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号。

(3)海豚声信号的录取、采集和存储：

声信号接收模块接收海豚声信号，信号放大和滤波模块对该声信号进行放大、滤波，数据采集模块采集海豚声信号数据，并送入数据存储模块存储。海豚声信号录取程序根据步骤(2)的检测结果自动启动。海豚声信号采集和存储时间由信号持续录制时间决定。

(4)海豚声信号的发送与接收：

数据发送模块将采集到的海豚声信号数据发送到干端部分，数据接收模块接收该海豚声信号数据并通过数据显示模块显示。

其中，所述步骤(2)包括以下子步骤：

(21)声信号阈值检测模块将当前声信号强度S与强度阈值T比较，如果S≥T，则启动滴答脉冲串(Click脉冲串)脉冲分解模块；如果S＜T，则海豚声信号录取系统继续休眠。

(22)滴答脉冲串(Click脉冲串)脉冲分解模块将Click脉冲串分解为独立的Click脉冲，并计算Click脉冲串中包含的脉冲个数n和平均脉冲宽度w。

所述Click脉冲串脉冲分解模块利用差分法提取Click脉冲信号的局部顶点：

假设Click脉冲串信号为y(i)，首先利用公式d₁(i)＝y(i)-y(i-1)，计算Click脉冲信号的一次差分；其次利用公式s₁(i)＝sign(d₁(i))，提取Click脉冲信号的一次差分的符号；最后利用公式s₂(i)＝s₁(i)-s₁(i-1)，计算Click脉冲信号的二次差分；则Click脉冲信号的顶点处满足：s₂(i)＝-2。

所述Click脉冲串脉冲分解模块通过Click脉冲的包络与Click脉冲信号的局部顶点的对应关系，将Click脉冲串分解为独立的Click脉冲。

(23)通过滴答脉冲串判断模块判断当前声信号是否满足下式的条件：

n＞N，且w∈[W_min W_max]；

如果满足，则确定当前信号为有效的海豚声信号，启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号；如果不满足，则确定当前信号为其他声信号，海豚声信号录取系统继续处于休眠工作模式。

其中，所述步骤(4)中数据接收模块接收该海豚声信号数据包括以下子步骤：

(41)配置网络参数，包括无线局域网段、IP地址及端口等。

(42)监测网络命令。

(43)判断是否是数据传输命令，如果是数据传输命令，则开始传输数据；如果不是数据传输命令，则返回步骤(42)。

所述步骤(42)中，网络命令由母船或者岸上的数据接收模块通过无线以太网发送，这里采用TCP/IP协议。

所述步骤(43)中，数据传输同样采用TCP/IP协议，通过无线以太网发送。

本发明的优点在于：

1、本发明提供的海豚声信号录取系统及方法利用海豚声行为和声信号特征自动监测和录取海豚声信号，是系统具有功耗低、自动监测的特点。

2、本发明提供的海豚声信号录取系统及方法的海豚声信号数据可以存储在湿端，也可以通过网络传输到干端，使系统具有很高的灵活性。

3、本发明提供的海豚声信号录取系统及方法采用电池和太阳能电池组成的供电系统可以最大限度的提高系统的工作时间，减少海上更换或者打捞的次数，降低系统的操作成本。

附图说明

图1是本发明的海豚声信号录取系统框架图；

图2是本发明声信号检测模块框架图；

图3是本发明的海豚声信号数据采集、存储流程图；

图4是本发明的海豚声信号数据传输流程图；

图5是本发明的检测海豚声信号流程图；

图6是本发明实施例Click脉冲串及分解示意图；

图7是本发明实施例Click脉冲包络示意图；

图8是本发明实施例Click脉冲串的分割示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的海豚声信号录取系统及方法进行详细的说明。

本发明的用于海豚声信号录取的系统，如图1所示，包括干端和湿端两部分；其中湿端包括供电模块、声信号接收模块、信号放大和滤波模块、海豚声信号检测模块、数据采集模块、数据存储模块、数据发送模块；干端包括数据接收和显示模块。

上述海豚声信号检测模块，如图2所示，包括：声信号阈值检测模块、Click脉冲串脉冲分解模块和滴答脉冲串判断模块。

在上述系统模块中，供电模块为海豚声信号录取系统供电，供电模块由蓄电池和太阳能电池组成。其中蓄电池可以为铅酸电池、锂电池或者其他类型的电池，可以采用220V充电；太阳能电池由太阳能电池板充电。

在上述系统模块中，声信号接收模块由宽带水听器组成，考虑到指向性和接收灵敏度，单个水听器的可接收声信号的带宽选为1-150kHz。水听器与信号滤波和放大模块之间通过DB9接口连接，如果水听器缆比较长，水听器本身需要带20dB的前放；如果水听器缆比较短，水听器本身可以不带前放。

在上述系统模块中，信号滤波模块为带通滤波器，带通滤波器的带宽为1-150kHz；信号放大模块的动态范围为0～5V，信号放大模块的信号最大增益为80dB。在上述系统模块中，数据采集模块为单通道16位AD，最大采样率为1MHz。数据采集模块与信号滤波和放大模块通过同轴电缆和BNC头链接。

在上述系统模块中，数据存储模块由硬盘构成，数据存储速度大于2Mbytes/s，存储空间大于1TByts。

在上述系统模块中，数据发送模块由无线以太网数据传输模块组成，最大数据传输速率大于100MBits/s。

在上述系统模块中，数据接收模块由通用PC或者其他数据处理设备组成，数据接收模块配置无线以太网卡；数据显示模块由液晶显示器或者其他数据显示设备组成。数据接收和数据显示模块可以配置在母船上，也可以配置在岸上可以接收到无线网络传输信号的位置。

本发明的用于海豚声信号录取的方法主要包括海豚声信号采集存储和海豚声信号传输两个部分，如图3、图4所示。海豚声信号采集存储方法的步骤如下：

(1)设置系统参数。

(2)检测海豚声信号。

(3)启动海豚声信号录取程序、采集和存储声信号。

(4)数据的发送与接收。

上述步骤(1)中，需要设置的系统参数包括海豚声信号的强度阈值、脉冲宽度区间、脉冲个数阈值以及信号持续录制时间。

上述步骤(2)中，根据海豚声信号的特点和设定的参数检测海豚声信号。如果没有海豚声信号，整个系统处于休眠工作模式，以最大限度的节约能量，延长系统的工作时间。

上述步骤(3)中，海豚声信号录取程序根据步骤(2)的检测结果自动启动。海豚声信号采集和存储时间由信号持续录制时间决定。

上述步骤(4)中，海豚声信号数据传输的步骤如下：(如图4)

(41)配置网络参数，包括无线局域网段以及IP地址和端口等。

(42)监测网络命令。

(43)判断是否是数据传输命令，如果是开始传输数据；如果否，重新执行步骤(42)。

上述步骤(42)中，网络命令由母船或者岸上的数据接收模块通过无线以太网发送，这里采用TCP/IP协议。

上述步骤(43)中，数据传输同样采用TCP/IP协议，通过无线以太网发送。

具体实施例以生活在我国广西钦州湾、珠江口、台湾、香港等海域的中华白海豚为例，结合本发明提出的方法和系统方案对海豚声信号录取的系统和方法进行说明。中华白海豚生活在江河入海口处，生活海域都是近海浅海水域，因此可以考虑将海豚声信号录取系统进行水密后布置在水下，其中无线数据传输部分以浮标的形式浮在水面，无线传输部分与湿端其他部分通过传输缆连接，干端部分可以布置在母船或者岸边。

由于水下的能见度有限，海豚依靠声波完成环境探测、捕食等行为。海豚声纳发射信号的频率、带宽等特点与海豚的种类有关系，但都是脉冲串的形式。海豚声纳用于目标探测信号是一种独特的脉冲串(Click脉冲串)。探测环境时，海豚声纳发射一组Click脉冲串(持续时间几十毫秒到上百毫秒不等)，然后对接收回波进行分析。海豚在水中游动的过程中需要不断的探测周边环境，游动过程中发出Click脉冲串的频率很高，所以可以采用Click脉冲串作为特征检测海豚声信号并启动海豚声信号的采集和存储程序。海豚声信号采集存储方法的步骤详细说明如下：

(1)设置系统参数：

需要设置的系统参数包括海豚声信号的强度阈值T、脉冲宽度范围[W_min W_max]、信号持续录制时间dur，脉冲串个数阈值N。

(2)检测海豚声信号：(如图5所示)

通过根据海豚声信号的特点和设定的参数检测海豚声信号。如果没有海豚声信号，整个系统处于休眠工作模式，以最大限度的节约能量，延长系统的工作时间。

利用Click脉冲串检测海豚声信号的步骤如下：

(21)将当前信号强度S与强度阈值T比较，如果S≥T，则执行步骤(22)启动Click脉冲分解；如果S＜T，系统继续休眠。

(22)启动Click脉冲串分解，并计算Click脉冲串中包含的脉冲个数n和平均脉冲宽度w。

上述步骤(22)中，Click脉冲串分解的步骤比较复杂，下面进行说明。

典型的Click脉冲串的如图6所示，如果要提取脉冲串的特征，必须将Click脉冲串分解为独立的Click脉冲。通过观察可以发现，Click脉冲串的包络具有相似的特点，因此只要计算出Click脉冲串的包络，就可以将其分解。

Click脉冲的包络与其中的局部顶点密切相关，如图7所示，局部顶点A、B和C实际上与脉冲信号的包络重合。因此，通过提取Click脉冲串的局部顶点便可以提取Click脉冲串的包络。局部顶点处二次导数为峰值，图7中给出了脉冲包络、局部顶点以及二次差分之间的对应关系。从图7中可以看出，二次差分的峰值与脉冲信号的局部顶点对应，而局部顶点A、B和C与脉冲包络相吻合，因此利用二次差分的峰值可以提取脉冲信号的局部顶点。假设Click脉冲串信号为y(i)，则通过差分法提取局部顶点步骤如下：

采用式1)计算信号的一次差分：

d₁(i)＝y(i)-y(i-1)                        1)

采用式2)提取一次差分的符号：

s₁(i)＝sign(d₁(i))                        2)

采用式3)计算信号的二次差分：

s₂(i)＝s₁(i)-s₁(i-1)                      3)

提取局部顶点：

信号的顶点处满足的条件如下：

s₂(i)＝-2

(23)如果满足下式4)的条件，

n＞N，并且w∈[W_min W_max]                  4)

则可以确定当前信号为有效的海豚声信号，执行步骤(3)启动海豚声信号录取程序；如果不满足式4)的条件，确定当前信号为其他声信号，系统继续处于休眠工作模式。图8是Click脉冲串的分割示意图。

(3)启动海豚声信号录取程序、采集和存储声信号：

根据设定的信号持续录制时间dur，持续采集和存储时间长度为dur的海豚声信号，录取完成以后系统重新进入休眠状态。

(4)数据传输，即数据的发送与接收：

本实施例中，假定干端模块即数据接收和数据显示模块位于母船上，海豚声信号录取系统布放在指定海域，母船定期对海豚声信号录取系统的布放海域进行巡视。当母船需要读取海豚声信号录取系统已经录取的声信号时，需要向海豚声信号录取系统发送数据传输命令，而声信号系统收到信号传输命令以后将已经存储的数据通过无线以太网发送至母船并由数据显示模块进行显示。

Claims (5)

1.一种海豚声信号录取系统，该系统包括干端部分和湿端部分；

所述干端部分包括：

一数据接收模块，用于接收湿端部分发送的海豚声信号数据；

一数据显示模块，用于显示海豚声信号数据；

所述湿端部分包括：

一供电模块，用于向海豚声信号录取系统供电；

一声信号接收模块，用于接收海豚声信号，并将该声信号送入信号放大和滤波模块；

一信号放大和滤波模块，用于将接收到的海豚声信号放大、滤波，并送入数据采集模块；

一数据采集模块，用于采集海豚声信号数据；

一数据存储模块，用于存储采集到的海豚声信号数据；

一数据发送模块，用于将采集到的海豚声信号数据发送到干端部分；

其特征在于，

所述湿端部分还包括一海豚声信号检测模块，用于根据海豚声信号的特点和设定的参数，利用海豚声纳发出的滴答脉冲串检测海豚声信号，如果没有检测到海豚声信号，则海豚声信号录取系统处于休眠工作模式；如果检测到海豚声信号，则启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号；

所述海豚声信号检测模块包括：

一声信号阈值检测模块，用于将当前声信号强度S与强度阈值T比较，如果S≥T，则启动滴答脉冲串脉冲分解模块；如果S＜T，则海豚声信号录取系统继续休眠；

一滴答脉冲串脉冲分解模块，用于将滴答脉冲串分解为独立的滴答脉冲，并计算滴答脉冲串中包含的脉冲个数n和平均脉冲宽度w，

所述滴答脉冲串脉冲分解模块利用差分法提取滴答脉冲信号的局部顶点：

假设滴答脉冲串信号为y(i)，首先利用公式d₁(i)＝y(i)-y(i-1)，计算滴答脉冲信号的一次差分；其次利用公式s₁(i)＝sign(d₁(i))，提取滴答脉冲信号的一次差分的符号；最后利用公式s₂(i)＝s₁(i)-s₁(i-1)，计算滴答脉冲信号的二次差分；则滴答脉冲信号的顶点处满足：s₂(i)＝-2；

所述滴答脉冲串脉冲分解模块通过滴答脉冲的包络与滴答脉冲信号的局部顶点的对应关系，将滴答脉冲串分解为独立的滴答脉冲。

2.根据权利要求1所述的海豚声信号录取系统，其特征在于，所述海豚声信号检测模块还包括：

一滴答脉冲串判断模块，用于判断当前声信号是否满足下式的条件：

n＞N，且w∈[W_min W_max]；

其中，N为脉冲串个数阈值；[W_min W_max]为脉冲宽度范围，n为脉冲个数，w为平均脉冲宽度；

如果满足，则确定当前信号为有效的海豚声信号，启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号；如果不满足，则确定当前信号为其他声信号，海豚声信号录取系统继续处于休眠工作模式。

3.根据权利要求1所述的海豚声信号录取系统，其特征在于，所述供电模块采用蓄电池与太阳能电池组合的方式向海豚声信号录取系统供电。

4.一种海豚声信号录取方法，该方法包括以下步骤：

（1）设置系统参数：

所述系统参数包括：海豚声信号的强度阈值T、滴答脉冲宽度范围[W_min W_max]、信号持续录制时间dur，滴答脉冲串个数阈值N；

（2）检测海豚声信号：

海豚声信号检测模块根据海豚声信号的特点和设定的参数，利用滴答脉冲串检测海豚声信号，如果没有检测到海豚声信号，则海豚声信号录取系统处于休眠工作模式；如果检测到海豚声信号，则启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号，包括以下子步骤：

（21）海豚声信号阈值检测模块将当前声信号强度S与强度阈值T比较，如果S≥T，则启动滴答脉冲串脉冲分解模块；如果S＜T，则海豚声信号录取系统继续休眠；

（22）滴答脉冲串脉冲分解模块将滴答脉冲串分解为独立的滴答脉冲，并计算滴答脉冲串中包含的脉冲个数n和平均脉冲宽度w；

此步骤（22）中，所述滴答脉冲串脉冲分解模块利用差分法提取滴答脉冲信号的局部顶点：

假设滴答脉冲串信号为y(i)，首先利用公式d₁(i)＝y(i)-y(i-1)，计算滴答脉冲信号的一次差分；其次利用公式s₁(i)＝sign(d₁(i))，提取滴答脉冲信号的一次差分的符号；最后利用公式s₂(i)＝s₁(i)-s₁(i-1)，计算滴答脉冲信号的二次差分；则滴答脉冲信号的顶点处满足：s₂(i)＝-2；

所述滴答脉冲串脉冲分解模块通过滴答脉冲的包络与滴答脉冲信号的局部顶点的对应关系，将滴答脉冲串分解为独立的滴答脉冲；

（23）通过滴答脉冲串判断模块判断当前声信号是否满足下式的条件：

n＞N，且w∈[W_min W_max]；

如果满足，则确定当前信号为有效的海豚声信号，启动海豚声信号录取系统，开始录取、采集并存储海豚声信号；如果不满足，则确定当前信号为其他声信号，海豚声信号录取系统继续处于休眠工作模式；

（3）海豚声信号的录取、采集和存储：

声信号接收模块接收海豚声信号，信号放大和滤波模块对该声信号进行放大、滤波，数据采集模块采集海豚声信号数据，并送入数据存储模块存储；

（4）海豚声信号的发送与接收：

数据发送模块将采集到的海豚声信号数据发送到干端部分，数据接收模块接收该海豚声信号数据并通过数据显示模块显示。

5.根据权利要求4所述的海豚声信号录取方法，其特征在于，所述步骤（4）中数据接收模块接收该海豚声信号数据包括以下子步骤：

（41）配置网络参数，包括无线局域网段、IP地址及端口；

（42）监测网络命令；

（43）判断是否是数据传输命令，如果是数据传输命令，则开始传输数据；如果不是数据传输命令，则返回步骤（42）。

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