CN109769173B - 一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法 - Google Patents

Abstract

一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法，涉及大黄鱼声诱集的水声信号设计和参数的反馈调节。信号设计根据大黄鱼的听阈曲线采用线性调频信号并通过设计的反向滤波器处理，使得发射声信号覆盖大黄鱼的听阈范围并在大黄鱼的听觉灵敏度最高的频段处声功率达到最大，能够增强大黄鱼声诱集的效果；实施中发射换能器采用柱形换能器，有利于在水平全方向进行声波辐射，构建均匀声场。在声波发射过程中加入反馈调节机制，根据球形水听器接收的大黄鱼摄食声来计算幅度调节系数和滤波器的通带比例调节系数，通过反馈调节能够让诱集声波的波形根据海域背景噪声场灵活变化，以防止大黄鱼对声波的感应度下降，同时能够节省发射功耗。

Description

一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法

技术领域

本发明涉及大黄鱼声诱集的水声信号设计和参数的反馈调节，特别是涉及根据大黄鱼的听阈曲线，利用最小Lp范数准则下迭代重加权最小二乘算法(IRLS)来巧妙设计反向数字滤波器，用于增强发射声诱集信号的有效频率和利用反馈机制设计发射声诱集信号合适的强度，从而更有效地诱集大黄鱼，达到定点喂食和控制大黄鱼活动空间，可不断反馈调节滤波器幅度和通带比例从而使不同波形的诱集声波能适应于不同海域中不同背景噪声环境且节省功耗的一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法。

背景技术

海洋牧场作为一种新兴的基于海洋生态系统管理的渔业模式近年来获得较大的关注和研究，海洋牧场一般选取适合海洋鱼类生长的特定海域，利用各种鱼类群体驯化技术(如声、电、磁场、气泡帷幕等)进行人工鱼类放养和科学管理，以便最为合理的利用海域生产力形成高效人工渔场。目前，我国海洋牧场的研究和建设正方兴未艾，急需对海洋牧场所需的基础技术的研究和积累。([1]阙华勇,陈勇,张秀梅,章守宇,张国范.现代海洋牧场建设的现状与发展对策[J].中国工程科学,2016,18(3):79-84)鱼类的声诱集指的是在海洋牧场环境中通过发射特定的声波引导并集中鱼群，声诱集定点投饵技术正是海洋牧场中放养、驯化和监管鱼类的基础且重要的技术之一，该技术摒弃了传统近海网箱养殖模式中的饵料沉降浪费、水体污染或富营养化等问题。

近年来，鱼类声诱集技术得到较多关注和研究，总体来说，可诱集或驯化的鱼种类较多，从淡水鱼类(鲫鱼、鲤鱼等)到海洋鱼类(鲷科等)，用于诱集鱼类的声波发射信号类型主要为两类：一类是人工合成音，也是使用最多的一类诱集声波，如600Hz以下正弦波、方波、脉冲波，这类人工合成音的波形和频率较单一且无法实时调整信号的频率和幅度，易出现鱼类诱集效果随时间而下降，且人工合成音的诱鱼效果也很少有进行比较；另一类是生物噪声，如摄食噪声、游泳噪声等，优点是鱼类对其具有正趋向性，缺点是这类声波功能单一，无法根据不同背景噪声环境进行变化、诱集效果不稳定，因此难以推广，在实际应用中受限。

大黄鱼是我国近海主要的经济鱼类之一，在沿海养殖鱼类中具有较高的经济和文化价值。大黄鱼以发声闻名，研究表明，大黄鱼的发声可以反馈其行为状态，而听觉特性与其发声频率关系密切，因此，大黄鱼的听阈灵敏度研究对指导大黄鱼的声诱集技术有很大帮助。1981年Bullock提出可采用听性脑干反应(Auditory brainstem response,简称ABR)的方法测量并记录鱼类的听觉诱发电位(Auditory evoked potentials,简称AEP),相较于传统局部解剖的侵入式方法，ABR是一种非侵入式、对鱼体无伤害、测量迅速且高效的技术手段。经ABR实验测量和研究得到大黄鱼的听觉特性，大黄鱼的听阈曲线呈典型的“V”字型，即在听阈频率范围内存在灵敏度较高的频段：在100～300Hz频段大黄鱼的听觉阈值逐渐降低，即听觉灵敏度不断增加；在500～800Hz则是听觉最灵敏的频段，听觉阈值在500Hz时最低；随激励声波频率的增加，在1～4kHz频段，大黄鱼的听觉敏感度大幅下降，听觉阈值陡升。([2]殷雷明.大黄鱼声诱集行为反应与机理研究[D].上海:上海海洋大学海洋科学学院,2017.)同时，由于大黄鱼内耳中有耳石，对噪声非常敏感，20世纪五、六十年代在中国盛行的敲罟作业，利用了大黄鱼对噪声的敏感性，导致大黄鱼过度捕捞，几乎灭绝的窘境。

基于大黄鱼听阈特性和大黄鱼对噪声敏感，易于受噪声影响等的研究，可以设计一个线性调频信号LFM₁通过设计的反向(相对于大黄鱼的听阈曲线)数字滤波器H(ω；t₀)，并根据不同海洋环境噪声和发射时长，反馈调节发射频率和强度合适的声诱集信号，达到既不产生噪声伤害又能达到诱集大黄鱼的目的。由于线性调频信号相较于传统人工合成声波形更易于变化和包含更多的频率成分，因此更适于作为诱集大黄鱼的基本波形。设线性调频信号LFM₁的时域波形为s(t)，其瞬时频率可表达为

其中，幅值为A，起始频率为f₁，结束频率为f₂，f₀是中心频率，μ是调制指数，定义为发射波形的脉冲宽度T内的最大频移(即带宽B＝f₂-f₁)，也即

则有：

根据大黄鱼呈“V”字型的听阈曲线，可以利用最小Lp范数准则下迭代重加权最小二乘算法(Iterative Reweighted Least Squares，简称IRLS)设计反向数字滤波器H(ω)，其中，设计的滤波器为接近等纹波的IIR滤波器，等纹波设计有利于对阻带信号的削减以节省能量，IIR滤波器阶数较小易于实时处理和硬件实现。设反向数字滤波器H(ω)的频响有N个零点和M个极点，b(n)为滤波器的前向系数，a(n)为滤波器的反向系数，B(ω)、A(ω)分别为前向系数和反向系数的傅里叶变换，则该滤波器可表示为：

设根据大黄鱼听阈曲线设计反向滤波器的理想频率响应是D(ω)，采用最小Lp范数准则(Least Pth Norm)，使得设计的滤波器幅频响应|H(ω)|与理想幅频响应|D(ω)|在指定的一组离散频点{ω_i},i＝1,2,…,L上的误差最小，其频响幅值误差等式(目标函数)如下：

其中，W(i)为第i个频率点的权系数，p为范数值。通过改变a(n)和b(n)分别计算||ε||_p，最后求解出一组使||ε||_p最小的系数a(n)和b(n)以完成设计。本质上这是一个多变量最优化的问题，可通过迭代重加权最小二乘算法(IRLS)不断迭代运算后求出。([3]RicardoA.Vargas,C.Sidney Burrus.Iterative design of lp FIR and IIR digital filters[C].2009 IEEE 13th Digital Signal Processing Workshop and 5th IEEE SignalProcessing Education Workshop.2009:468-473.)

发明内容

本发明的目的在于提供一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法。

本发明包括以下步骤：

1)在声诱集大黄鱼定点投饵活动中，信号设计发射端根据大黄鱼听阈频率范围生成上扫频信号LFM₁，根据大黄鱼的听阈曲线(听觉对不同频率声波的敏感程度)，通过最小Lp范数逼近的方法设计反向(相对于大黄鱼的听阈曲线)数字滤波器H(ω；t₀)；

2)当开始大黄鱼诱集时，将生成上扫频信号LFM₁通过步骤1)设计好的反向数字滤波器H(ω；t₀)，将经过反向数字滤波器后输出的波形通过水平全方向性的柱形水声换能器发射出去用于诱集大黄鱼达到定点投饵和控制其活动空间范围的目的；

3)将球形接收水听器置于柱形水声换能器下方，用于在声诱集信号发射间隙接收经水声信道传输的诱集大黄鱼摄食声，所述摄食声包括摄食原声和摄食噪声；

4)将步骤3)接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,计算大黄鱼摄食声的频带声压级Lpf；

5)根据步骤4)得到的频带声压级Lpf计算数字滤波器的幅度调节系数k，幅度调节系数k与频带声压级Lpf成反比；

6)根据大黄鱼声诱集的水声信号发射时长T计算数字滤波器的通带比例调节系数r，通带比例调节系数r与声波发射时长T成正比；

7)将步骤5)和6)计算得出的幅度调节系数k和通带比例调节系数r用于反馈调节数字滤波器的设计参数，根据更新的设计参数通过最小Lp范数逼近的方法设计数字滤波器H(ω；t)；

8)将LFM₁信号经步骤7)设计的数字滤波器H(ω；t)处理后通过柱形水声换能器发射出去；

9)重复步骤4)～8)的反馈调节并连续发射诱集声波的过程，诱集声波的幅度和频率随着反馈调节的过程不断发生变化；

10)随着诱集声波不断更新和连续发射，当发射时长T达到预置的发射时长要求时，停止声波发射，本轮大黄鱼声诱集活动结束。

在步骤1)中，所述大黄鱼听阈频率范围和大黄鱼听阈曲线是通过听性脑干反应(ABR)技术测试得到。

在步骤1)中，所述最小Lp范数逼近的方法是指在最小Lp范数准则下迭代重加权最小二乘算法(Iterative Reweighted Least Squares，以下简称IRLS)。

在步骤7)中，所述数字滤波器的设计参数是指滤波器的通带幅频响应特性，应选取较多特征频点用于描述和设计。

与现有鱼类声诱集的水声信号设计与调节方法相比，本发明具有如下优点：

(1)信号设计根据大黄鱼的听阈曲线采用线性调频信号并通过设计的反向滤波器处理，使得发射声信号覆盖大黄鱼的听阈范围并在大黄鱼的听觉灵敏度最高的频段处(如500～800Hz)声功率达到最大，能够增强大黄鱼声诱集的效果；实施中发射换能器采用柱形换能器，有利于在水平全方向进行声波辐射，构建均匀声场。

(2)本发明在声波发射过程中加入反馈调节机制，根据球形水听器接收的大黄鱼摄食声来计算幅度调节系数和滤波器的通带比例调节系数，通过反馈调节能够让诱集声波的波形根据海域背景噪声场灵活变化，以防止大黄鱼对声波的感应度下降，同时能够节省发射功耗；实施中在声波发射间隙接收摄食声采用球形水听器并位于柱形发射换能器下方，有利于消除发射声波对反馈接收的影响。

(3)本发明易于泛化推广，具有广泛应用前景。本发明对听觉敏感型的养殖鱼类均适用，可用于声诱集定点投饵提高饵料利用率，同时也可推广至海洋牧场中的放养声导鱼类、新型声诱捕和鱼群活动范围的控制等应用场景中。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。设计发射端根据大黄鱼的听阈曲线处理并生成信号通过柱形换能器发射出去诱集大黄鱼来进行定点投饵，在每段声波发射的间隙时间里，球形水听器接收大黄鱼摄食声后经处理计算反馈调节滤波器的设计参数以形成声波发射的闭环。

图2为根据大黄鱼听阈曲线设计的反向滤波器H(ω；t₀)示意图。在图2中，曲线a为大黄鱼听阈曲线，曲线b为设计的反向滤波器响应。首先根据大黄鱼听阈曲线的特征频点计算出理想滤波器在特征频点的幅频响应|D(ω)|，利用最小Lp范数逼近的方法迭代计算得到设计的滤波器系数，该滤波器在幅频响应的形状上和大黄鱼的听阈曲线反向。

图3为原LFM₁信号和经反向滤波器处理后信号的时频分析对比图。其中，扫频起止频率分别为100Hz和4kHz，设信号长度为1S，时频分析采用短时傅里叶变换(Short-timeFourier transform，简称STFT),加窗采用窗长为64的汉宁窗，由图可见，原LFM₁信号的能量在频带内均匀分布，而经滤波处理后的信号能量集中于大黄鱼听觉最灵敏的频段(箭头标志处)。

图4为大黄鱼声诱集信号的反馈调节过程示意图。其中发射换能器采用柱形换能器以减小声波的扩展衰减，位于下方的球形水听器接收大黄鱼摄食声波，随着测量得到的摄食声频带声压级Lpf的改变和声发射时间T的推移，不断调整幅度调节系数k和通带比例调节系数r，从而改变滤波器设计的幅频响应直到T＝T_max，其中，A_max为设定滤波器的最大幅频响应值，T_max为诱集活动设定的目标时长，ΔA_maxi为初始0时刻ω_i频率点上的幅频响应与A_max的差值，ΔA_i为T时刻ω_i频率点上的幅频响应与A_max的差值，f₁＝100Hz,f₂＝4kHz。

图5为根据图4的反馈调节方法诱集声波发射功率的仿真示意图。仿真中假设传统人工合成音的发射时消耗功率为稳定的30W，仿真中采用高斯白噪，仿真表明在声波发射初期反馈调节使得输出较大的功率有利于诱集大黄鱼，随后因大黄鱼诱集数量增多，反馈接收的摄食声不断增大，发射声波的消耗功率则不断减小有利于节省功耗。在图5中，曲线a为传统人工合成音发射功率，曲线b为带反馈调节的发射声功率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的原理示意图。首先，在大黄鱼声诱集定点投饵开始时，设计发射端根据大黄鱼的听阈范围生成上扫频信号LFM₁，信号的设计时长和信号发射间隙时长可根据环境和诱集数量等实际情况选取。如图2所示，根据大黄鱼的听阈曲线的特征频点可计算出理想滤波器在特征频点的幅频响应|D(ω)|，采用最小Lp范数准则(Least PthNorm)和IRLS算法，使得设计的滤波器幅频响应|H(ω)|与理想幅频响应|D(ω)|在指定的一组离散频点{ω_i},i＝1,2,…,L上的误差最小，此处P取值为128，滤波器接近等纹波设计。LFM₁信号经过设计的反向滤波器H(ω；t₀)处理后，通过柱形换能器发射出去，采用柱形换能器能减小声波的扩展衰减。该信号经短时傅里叶变换(STFT)的时频图如图3所示，这里上扫频起止频率分别为100Hz和4kHz，信号长度设为1s，信号的发射间隙时长设为100ms，图中可见与原信号对比经滤波处理后的信号能量主要集中于大黄鱼听觉最灵敏的频段(500Hz附近)，利于有效诱集大黄鱼。

如图4所示，球形水听器置于柱形换能器下方，用于接收经水声信道传输的诱集大黄鱼摄食声，接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,计算大黄鱼摄食声的频带声压级Lpf，即有：

式中，P_f为带宽内声波的声压值，单位为帕，P₀为基准声压，水下环境中通常取1μPa。随着测量得到的摄食声频带声压级Lpf的改变和声波发射时间T的推移，不断计算调整幅度调节系数k和通带比例调节系数r，公式如下：

通过图4反馈调节的方式重新设计滤波器参数并采用和图2中同样的方法重新设计滤波器H(ω；t)，将LFM₁信号经滤波器后不断输出直到声波发射时长T＝T_max。整个发射声波在反馈调节的过程中，声波功率是由高到低的过程，如图5所示，声波发射初期反馈调节使输出功率较大有利于诱集大黄鱼，随后发射声波声功率不断减小后有利于节省功耗。

本发明规避了鱼类声诱集技术中常用的人工合成音频率和波形单一的缺点，提出根据大黄鱼的听阈曲线采用线性调频信号并通过设计的反向滤波器处理的方法，使得发射声信号在大黄鱼的听觉灵敏度最高的频段声功率最大，能够增强大黄鱼声诱集的效果。同时在声波发射过程中加入反馈调节机制，根据摄食声的频带声压级计算幅度调节系数和滤波器的通带比例调节系数，通过反馈调节能够让诱集声波的波形根据海域背景噪声场灵活变化以防止大黄鱼的感应度下降，同时节省发射功耗。本发明易于泛化推广，对听觉敏感型的养殖鱼类均适用，具有广泛应用前景，可用于声诱集定点投饵提高饵料利用率，同时也可推广至海洋牧场中的放养声导鱼类、新型声诱捕和鱼群活动范围的控制等场景中。

Claims (4)

1.一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在声诱集大黄鱼定点投饵活动中，信号设计发射端根据大黄鱼听阈频率范围生成上扫频信号LFM₁，根据大黄鱼的听阈曲线，通过最小Lp范数逼近的方法设计反向数字滤波器H(ω；t₀)；

2)当开始大黄鱼诱集时，将生成上扫频信号LFM₁通过步骤1)设计好的反向数字滤波器H(ω；t₀)，将经过反向数字滤波器后输出的波形通过水平全方向性的柱形水声换能器发射出去用于诱集大黄鱼达到定点投饵和控制其活动空间范围的目的；

3)将球形接收水听器置于柱形水声换能器下方，用于在声诱集信号发射间隙接收经水声信道传输的诱集大黄鱼摄食声，所述摄食声包括摄食原声和摄食噪声；

4)将步骤3)接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,计算大黄鱼摄食声的频带声压级Lpf；

5)根据步骤4)得到的频带声压级Lpf计算数字滤波器的幅度调节系数k，幅度调节系数k与频带声压级Lpf成反比；

6)根据大黄鱼声诱集的水声信号发射时长T计算数字滤波器的通带比例调节系数r，通带比例调节系数r与声波发射时长T成正比；

7)将步骤5)和6)计算得出的幅度调节系数k和通带比例调节系数r用于反馈调节数字滤波器的设计参数，根据更新的设计参数通过最小Lp范数逼近的方法设计数字滤波器H(ω；t)；

8)将LFM₁信号经步骤7)设计的数字滤波器H(ω；t)处理后通过柱形水声换能器发射出去；

9)重复步骤4)～8)的反馈调节并连续发射诱集声波的过程，诱集声波的幅度和频率随着反馈调节的过程不断发生变化；

10)随着诱集声波不断更新和连续发射，当发射时长T达到预置的发射时长要求时，停止声波发射，本轮大黄鱼声诱集活动结束。

2.如权利要求1所述一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法，其特征在于在步骤1)中，所述大黄鱼听阈频率范围和大黄鱼听阈曲线是通过听性脑干反应技术测试得到。

3.如权利要求1所述一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法，其特征在于在步骤1)中，所述最小Lp范数逼近的方法是指在最小Lp范数准则下迭代重加权最小二乘算法。

4.如权利要求1所述一种大黄鱼声诱集的水声信号设计和反馈调节方法，其特征在于在步骤7)中，所述数字滤波器的设计参数是指滤波器的通带幅频响应特性。

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