CN108731795B - 一种基于声成像技术的野外鸟类数量估计方法 - Google Patents

一种基于声成像技术的野外鸟类数量估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声成像技术的野外鸟类目标数量估计方法，所述方法包括：步骤1)在监测区布放若干个声学传感器，形成声学传感器阵列；步骤2)利用声学传感器阵列进行扫描，采集野外鸟鸣声数据；步骤3)将步骤2)采集的数据经时移或相移补偿后进行加权求和得到阵列波束形成器输出的功率值，根据不同目标入射方位的功率值绘制声图；步骤4)统计声图中亮点的数目，该数目为野外鸟类目标数量。本发明提出的方法可以估计监测区鸟类目标数量，同时能够实时监测目标时空分布。本发明的声学传感器阵列安装方便，成本不高，易于维护。

Description

一种基于声成像技术的野外鸟类数量估计方法
技术领域
本发明涉及声成像技术领域，具体而言涉及一种基于声成像技术的野外鸟类数量估计方法。
背景技术
鸟类作为一种对栖息地改变和环境变化反映极为敏感的环境指示生物，是生物多样性评估与监测和生态环境影响评价的重要指标。生物学家对鸟类研究的一种重要方式就是通过对鸟鸣声的研究进行的，随着科技的进步，鸟类学家已经通过对鸟鸣声的研究，获取了大量鸟类生物学信息。近年来，对稀有、濒危鸟类的数量统计与种群监测，逐渐引起生物学家的重视，然而由于分布极广或藏于密林等原因，鸟类数量调查一直是一件费力的事，长久以来，缺乏有效的手段来准确确定鸟类的种群数量。
发明内容
本发明的目的在于解决缺乏有效的手段来准确确定鸟类的种群数量的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于声成像技术的野外鸟类目标数量估计方法，所述方法包括：
步骤1)在监测区布放若干个声学传感器，形成声学传感器阵列；
步骤2)利用声学传感器阵列进行扫描，采集野外鸟鸣声数据；
步骤3)将步骤2)采集的数据经时移或相移补偿后进行加权求和得到阵列波束形成器输出的功率值，根据不同目标入射方位的功率值绘制声图；
步骤4)统计声图中亮点的数目，该数目为野外鸟类目标数量。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)之前还包括确定声学传感器阵列布放远场条件的步骤，该步骤具体包括：
步骤1-1)确定声源信号波长λ：
Figure BDA0001680953080000011
其中，f为鸟鸣声信号中心频率，C为空气中声波传播速度；
步骤1-2)根据步骤1-1)得到的波长λ确定所述声学传感器的阵元间距d：
Figure BDA0001680953080000021
步骤1-3)根据步骤1-2)得到的阵元间距d，将N个声学传感器按阵元间距d在监测区布放成等距直线阵，确定所述声学传感器阵列的孔径L：
L＝N·d (3)
其中，N为声学传感器阵列的阵元个数；
步骤1-4)根据步骤1-3)得到阵列的孔径L，确定满足远场条件的声学传感器阵列的最小作用距离R：
Figure BDA0001680953080000022
作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
步骤3-1)声学传感器阵列每个阵元的接收信号xk(t)：
Figure BDA0001680953080000023
其中，Bk为幅度加权值，w为中心频率响应，
Figure BDA0001680953080000024
为相邻阵元的接收信号相位差：
Figure BDA0001680953080000025
其中，θ为目标入射方位与基阵法线方向夹角；
步骤3-2)计算相移βr：
Figure BDA0001680953080000026
步骤3-3)根据步骤3-2)的相移βr将步骤3-1)的阵元接收信号xk(t)进行相移补偿，得到每个阵元的信号输出xk'(t)：
Figure BDA0001680953080000027
步骤3-4)根据步骤3-3)的阵元信号输出xk'(t)，忽略时间因子，将阵元信号记为xk：
Figure BDA0001680953080000028
步骤3-4)根据步骤3-3)的阵元信号将N个阵元信号相加，得到阵的输出声功率值Ar：
Figure BDA0001680953080000031
步骤3-5)以θ为横坐标，声功率值Ar为纵坐标绘制声图。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的方法可以估计监测区鸟类目标数量，同时能够实时监测目标时空分布；
2、本发明的声学传感器阵列安装方便，成本不高，易于维护。
附图说明
图1是本发明的远场线列阵模型示意图；
图2是本发明的探测四个目标声束方向图；
图3是本发明的探测四个目标声图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明涉及一种基于声成像技术的野外鸟类目标数量调查方法，该方法通过在监测区布放声学传感器阵列，采集野外鸟鸣声数据，将阵列接收数据经时延或相移补偿然后加权求和进行阵列波束形成扫描，当扫描到声源位置时，基阵接收信号达到同相叠加，阵列输出的声功率得到最大值，反映在声图上则出现一个声图亮点。当空间存在多个目标声源时，声图上则出现多个亮点，可以通过亮点数目估计目标数目。
本发明具体技术方案如下：
(1)野外声学传感器阵列布放条件
在监测区布放声学传感器阵列和声学数据采集系统，声学传感器阵列布放位置要求满足目标远场工作条件。根据线阵远场模型，当声源距离所述声学传感器阵列的距离r满足以下条件时，可以认为声源位于所述阵列远场：
Figure BDA0001680953080000032
其中R为声源距离基阵的距离，L为所述阵列孔径，λ为声源信号波长。
鸟类鸣声信号中心频率大多集中分布在2.5Khz～4.5KHz之间，按3KHz中心频率计算，空气中声波传播速度约为340m/s，则信号波长为：
Figure BDA0001680953080000041
按半波长间距布阵，即阵元间距
Figure BDA0001680953080000042
阵元个数取15阵元，则所述阵列孔径，
Figure BDA0001680953080000043
满足远场条件的目标作用距离满足：
Figure BDA0001680953080000044
即野外鸟类目标距离所述声学传感器阵列距离远大于5.6米时，用远场线列阵波束形成技术估计目标方位和数量结果比较准确。
(2)远场线列阵波束形成算法
声源位于远场时，到达线列阵的信号波形可近似看成平面波，等距线阵阵元接收信号时间延迟只与目标入射方位有关。如图1所示，声源S位于由N个阵元组成的等间隔线阵阵列的远场，阵元间距d，以第一个阵元为参考阵元，目标入射方位与阵列法线方向夹角为θ，则阵元接收信号可表示为：
Figure BDA0001680953080000045
其中，
Figure BDA0001680953080000046
Figure BDA0001680953080000047
为相邻阵元接收信号的相位差，Bk为幅度加权值，w为中心频率响应2π·f，在每个阵元间插入相移βr，
Figure BDA0001680953080000048
则每个阵元信号输出表示为：
Figure BDA0001680953080000049
这里βr是一个补偿的相位，反应的是控制波束的方向，而
Figure BDA00016809530800000410
则反应了声源信号的入射方向。忽略时间因子，记阵元接收信号为xk：
Figure BDA0001680953080000051
则阵列接收到的总的声功率可表示为声功率值Ar：
Figure BDA0001680953080000052
这一表达式表示当阵元间插入相移βr时，主极大方向被控制到：
Figure BDA0001680953080000053
声源目标入射信号方向满足θ：
Figure BDA0001680953080000054
当声源目标入射信号方向满足θ时，各个阵元接收的声能量达到同向相加，则此时所述声学传感器阵列接收到的Ar声功率的能量值最大，在目标探测声束图上相对于背景会产生一个能量波峰值，该波峰值在声图对应方位处会以一个亮点表示，该亮点即为目标方位，可以根据声图亮点个数来估计声源目标个数。
实施例：
考虑监测区同时存在4个目标声源，入射方位分别为-20°、-40°、30°、40°，阵元数N＝15，阵元间距
Figure BDA0001680953080000055
空气中声速C＝340m/s，信号工作中心频率f＝3000Hz，采样率fs＝44000Hz，信号长度0.2s。图2是4个目标探测声束图方位估计结果，图3是对4个目标探测声图结果。可见通过声学传感器线列阵波束形成技术可以有效探测监测区多个目标并对目标数量进行估计。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于声成像技术的野外鸟类目标数量估计方法，所述方法包括：
步骤1)在监测区布放若干个声学传感器，形成声学传感器阵列；
所述步骤1)之前还包括确定声学传感器阵列布放远场条件的步骤；该步骤具体包括：
步骤1-1)确定声源信号波长λ：
Figure FDA0002596402850000011
其中，f为鸟鸣声信号中心频率，C为空气中声波传播速度；
步骤1-2)根据步骤1-1)得到的波长λ确定所述声学传感器的阵元间距d：
Figure FDA0002596402850000012
步骤1-3)根据步骤1-2)得到的阵元间距d，将N个声学传感器按阵元间距d在监测区布放成等距直线阵，确定所述声学传感器阵列的孔径L：
L＝N·d (3)
其中，N为声学传感器阵列的阵元个数；
步骤1-4)根据步骤1-3)得到阵列的孔径L，确定满足远场条件的声学传感器阵列的最小作用距离R：
Figure FDA0002596402850000013
步骤2)利用声学传感器阵列进行扫描，采集野外鸟鸣声数据；
步骤3)将步骤2)采集的数据经时移或相移补偿后进行加权求和，得到阵列波束形成器输出的功率值，根据不同目标入射方位的功率值绘制声图；
所述步骤3)具体包括：
步骤3-1)获取声学传感器阵列每个阵元的接收信号xk(t)：
Figure FDA0002596402850000014
其中，Bk为幅度加权值；w为中心频率响应，
Figure FDA0002596402850000015
为相邻阵元的接收信号相位差，
Figure FDA0002596402850000016
的取值范围为：[-π,π]，k的取值为自然数；
Figure FDA0002596402850000017
其中，θ为目标入射方位与基阵法线方向夹角；
步骤3-2)计算相移βr：
Figure FDA0002596402850000021
步骤3-3)根据步骤3-2)的相移βr将步骤3-1)的阵元接收信号xk(t)进行相移补偿，得到每个阵元的信号输出xk'(t)：
Figure FDA0002596402850000022
步骤3-4)根据步骤3-3)的阵元信号输出xk'(t)，忽略时间因子，将阵元信号记为xk：
Figure FDA0002596402850000023
步骤3-4)根据步骤3-3)的阵元信号将N个阵元信号相加，得到阵的输出声功率值Ar：
Figure FDA0002596402850000024
步骤3-5)以θ为横坐标，声功率值Ar为纵坐标绘制声图；
步骤4)统计声图中亮点的数目，该数目为野外鸟类目标数量。
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