CN111175729B - 一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统 - Google Patents

一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，包括信号采集模块、单脉冲识别模块、脉冲串识别模块、无线发射模块、云端、无线接收模块以及终端，所述信号采集模块由水听器、信号滤波器和信号放大器、数字信号采集卡、存储器以及供电电池等部件组成，所述单脉冲识别模块与所述脉冲串识别模块相结合用以识别鲸类高频声呐信号，本发明通过实时在线监测系统实现对目标水域的目标鲸类物种进行24/7的全天候实时在线监测，通过结合单脉冲信号的时频特性和脉冲串结构的时频特性来进行甄别，实现了鲸类的声学监测从传统的“录音回放”模式转变为“现场直播”模式，实现对目标检测鲸类的实时监测和预警。

Description

一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统
技术领域
本发明涉及野生动物保护技术领域，具体是一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统。
背景技术
在我国，所有的齿鲸类的保护等级都不低于国家二级。大多数鲸类的保护现状不容乐观，以目前我国仅存的淡水豚-长江江豚为例，做为国家二级重点保护野生动物，其分布区仅限于长江中下游干流、鄱阳湖和洞庭湖水域，其种群数目前仅剩一千头左右。此外，之前在中国沿海广为分布的国家一级保护动物-中华白海豚目前也面临着栖息地质量快速下降以及种群数快速下降的风险。
基于传统的声学监测手段获得的鲸类监测结果在时间上都存在或多或少的滞后性，例如野外长期定点声学监测，通常会将自容式的声学记录仪布设在野外进行持续监测，直到记录仪的内存用完或电池耗尽，再将录音设备回收并将数据导入电脑，然后基于对下载后的鲸类声呐信号的监测结果获得鲸类的活动规律，即便是短期移动声学考察，通常也存在信号记录和信号分析相独立的情况，即信号分析通常会在野外信号记录结束并将数据带回实验室后才进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，包括信号采集模块，还包括单脉冲识别模块、脉冲串识别模块、无线发射模块、云端、无线接收模块以及终端；
所述信号采集模块由水听器、信号滤波器和信号放大器、数字信号采集卡、存储器以及供电电池等部件组成；
所述单脉冲识别模块与所述脉冲串识别模块相结合用以识别鲸类高频声呐信号；
所述无线发射模块用以将鲸类声呐信号识别系统数据处理中心识别出来的目标监测物种的脉冲串信号的监测时刻点，单脉冲波形文件以及相应的声学参数通过无线通信方式发射出去；
所述云端包括卫星通信及地面基站通信，所述卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波进而实现两个或多个地球通信站之间的通信，所述地面基站通信是用4G和/或5G网络进行无线通信；
所述无线接收模块用以回收无线发射模块发出的经过卫星中继转发或者经过地面基站中继的携带有目标监测鲸类脉冲串信息的卫星或4G和/或5G信号；
所述终端包括手机移动端和实验室计算机端。
作为本发明进一步的方案：所述滤波器包括高通录波器和低通录波器，所述高通录波器和低通录波器分别用于控制可允许的无损通过的最低频率和最高频率的位置，所述高通滤波器主要是用来过滤低频噪音对目标信号的干扰以及低频信号对录音设备的声学饱和作用，所述低通滤波器主要是用来过滤掉高于目标信号最高频率外的信号的干扰，所述滤波器通常采用一阶滤波，即对声音的滤波斜率为6dB/倍频程带宽。
作为本发明再进一步的方案：所述信号放大器用以对记录的信号的强度进行增强，所述信号放大器是针对较弱的目标信号，通过对这些信号进行增强以便能够更好地记录能量较低的信号。
作为本发明再进一步的方案：所述数字信号采集卡用以实现对模拟连续信号进行数字离散信号转换的设备，信号记录时，为了达到抗混叠的目标，设备的采用频率应该设定为不小于目标检测物种的声呐信号的最高频率的2.5倍。
作为本发明再进一步的方案：所述存储器用以对原始声信号进行记录，用于数据的原位备份，以便用于后期的进一步分析。
作为本发明再进一步的方案：所述供电电池用以对滤波器、放大器和数字信号采集卡进行供电。
作为本发明再进一步的方案：所述脉冲串识别模块主要是基于同一脉冲串信号中所包含的单脉冲的数量以及单脉冲信号之间的时域及声强结构特性来实现。
作为本发明再进一步的方案：所述手机移动端可以通过安装开发的鲸类实时在线监测系统APP，获得目标兴趣鲸类的实时监测时间和地理坐标信息。
作为本发明再进一步的方案：实验室计算机端可以供专业机构的科研人员进行脉冲串的绝对监测时刻点、单脉冲波形文件以及相应的声学参数数据的读取和深度分析和研发。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过实时在线监测系统实现对目标水域的目标鲸类物种进行24/7的全天候实时在线监测，在鲸类声呐信号的识别过程中，通过结合单脉冲信号的时频特性和脉冲串结构的时频特性来进行甄别，实现了鲸类的声学监测从传统的“录音回放”模式转变为“现场直播”模式，为开展鲸豚类保护和制定有效的鲸类保护措施提供时效性更强的基础资料。
附图说明
图1为一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，包括信号采集模块，还包括单脉冲识别模块、脉冲串识别模块、无线发射模块、云端、无线接收模块以及终端，所述信号采集模块由水听器、信号滤波器和信号放大器、数字信号采集卡、存储器以及供电电池等部件组成，所述单脉冲识别模块与所述脉冲串识别模块相结合用以识别鲸类高频声呐信号，所述单脉冲识别模块和脉冲串识别模块共同构成了声呐信号识别的数据处理中心，单脉冲识别主要是基于单脉冲信号的时频域特性来进行综合识别，经滤波和放大等处理后的数字信号据首先进入信号处理中心的缓存区，根据监测点的噪音情况，通常会先设定一个监测阈值，当某个时刻信号的能量超过了这个监测阈值，数据处理中心将会以该点作为触发点提取一段声音片段，该声音片段的提取方式是以触发点为基准，向前和向后各提取一段声音文件，该信号提取的原则是保证提取的信号长度包含了目标鲸类物种声呐信号的主要能量，将每个提取出来的单脉冲信号和目标鲸类物种轴线声呐信号进行互相关分析，并计算相应的相关系数，计算每个提取出来的单脉冲信号的相关声学参数，包括时域参数、频域参数、带宽参数、能量参数和无量纲参数，当互相关分析的相关系数达到一定的阈值，同时所有的声学参数都在目标监测鲸类标准声呐信号相关参数的平均值±方差的范围内，定义该提取的单脉冲信号为目标监测鲸类的高质量脉冲信号，对于互相关分析小于阈值的信号，但是它们相应的声学参数都在目标监测鲸类物种标准声呐信号相关参数的平均值±方差的范围内，我们则定义该提取的单脉冲信号为中等质量的目标鲸类物种脉冲信号，对于那些在互相关分析大于阈值的信号，但是它们相应的声学参数不在目标鲸类物种标准声呐信号对应参数的平均值±方差的范围内，则定义该提取的单脉冲信号为较差的目标鲸类物种的脉冲信号，所述无线发射模块用以将鲸类声呐信号识别系统数据处理中心识别出来的目标监测物种的脉冲串信号的监测时刻点，单脉冲波形文件以及相应的声学参数通过无线通信方式发射出去，所述云端包括卫星通信及地面基站通信，所述卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波进而实现两个或多个地球通信站之间的通信，通信过程中会先将信号转换成微波发射到地球同步卫星，而后通过地球同步卫星发射到其它通信站，从而将信号覆盖面扩大,达到信号传输的目的，卫星通信系统由通信卫星,地球上行站和地面接收站三部分组成，卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远、传输频带宽，通信容量大、通信稳定性好、质量高、组网方便迅速、具有多址联接功能、便于实现全球无缝链接等众多优点，所述地面基站通信是用4G和/或5G网络进行无线通信，所述无线接收模块用以回收无线发射模块发出的经过卫星中继转发或者经过地面基站中继的携带有目标监测鲸类脉冲串信息的4G和/或5G信号，所述终端包括手机移动端和实验室计算机端。
所述水听器的灵敏度和频率响应范围和目标检测鲸类的声源级以及发声频率范围相对应。
所述滤波器包括高通录波器和低通录波器，所述高通录波器和低通录波器分别用于控制可允许的无损通过的最低频率和最高频率的位置，所述高通滤波器主要是用来过滤低频噪音对目标信号的干扰以及低频信号对录音设备的声学饱和作用，所述低通滤波器主要是用来过滤掉高于目标信号最高频率外的信号的干扰，所述滤波器通常采用一阶滤波，即对声音的滤波斜率为6dB/倍频程带宽。
所述信号放大器用以对记录的信号的强度进行增强，所述信号放大器是针对较弱的目标信号，通过对这些信号进行增强以便能够更好地记录能量较低的信号。
所述数字信号采集卡用以实现对模拟连续信号进行数字离散信号转换的设备，信号记录时，为了达到抗混叠的目标，设备的采用频率应该设定为不小于目标检测物种的声呐信号的最高频率的2.5倍。
所述存储器用以对原始声信号进行记录，用于数据的原位备份，以便用于后期的分析。
所述供电电池用以对滤波器、放大器和数字信号采集卡进行供电。
所述脉冲串识别模块主要是基于同一脉冲串信号中所包含的单脉冲的数量以及单脉冲信号之间的时域及声强结构特性来实现，同一脉冲串内，相邻脉冲之间的声强和脉冲间的间隔的变化通常是比较平滑，在识别出每个单脉冲信号后，程序将会进一步对这些脉冲信号进行脉冲串的归类，对于某一串连续的脉冲，如果他们内部任意两个连续的脉冲间的间隔都小于某一阈值，那么这些串脉就被划定为同一个脉冲串，由于鲸类的声呐信号通常是以脉冲串的形式出现，我们将鲸类单个脉冲串里包含的最少单脉冲数量定义为5个，对于某个含有N个单脉冲的脉冲串，其内部一共有N-1个脉冲间间隔以及N个单脉冲声压级参数，如果该脉冲串内所有的相邻的脉冲间间隔的比值(RICI),以及所有的相邻的脉冲的声压级的比值(RSPL)的变化幅度都在80％-120％之间，那么这个脉冲串就被认为是目标鲸类物种的脉冲串信号；
0.8≤RSPL(i)＝SPL(i+1)/SPL(i),(i＝1,2,3,…,N-1)≤1.2
0.8≤RICI(i)＝ICI(i+1)/ICI(i),(i＝1,2,3,…,N-2)≤1.2
其中ICI(i)是第i个脉冲和第i+1个脉冲间的时间间隔，SPL(i)为脉冲i的声压级；
在基于脉冲串结构的运算过程中，如果纳入分析的信号是高质量的单脉冲信号，那么识别出来的结果就是高置信度的脉冲串监测结果，如果纳入分析的信号是中等的单脉冲信号，那么识别出来的结果就是中度自信水平的脉冲串监测结果，如果纳入分析的信号是较差的单脉冲信号，那么识别出来的结果就是低自信水平的监测结果。
所述手机移动端可以通过安装开发的鲸类实时在线监测系统APP，获得目标兴趣鲸类的实时监测时间信息。
实验室计算机端可以供专业机构的科研人员进行脉冲串的绝对监测时刻点、单脉冲波形文件以及相应的声学参数数据的读取和深度分析和研发。
在执行鲸类声呐监测算法前，需要确定所要监测的目标鲸类物种，并根据目标监测鲸类物种的声呐特性调整监测算法的相关参数，目标监测鲸类的原始声呐信号，包括声呐信号的波形文件以及相应的声学参数的统计分布结果的获取方式有两种：
方法一：通过文献检索获得，即从目前已知的鲸类声音库，以及已经发表的文献资料中获得；
方法二：通过现场录音获得，由于鲸类的高频声呐具有较强的方向性，因此，为了获取目标鲸类物种代表性的脉冲信号，需要采用水听器阵列系统，例如十字型水听器阵列或者Y型水听器阵列系统进行录音，采用水听器阵列进行录音时，判断声呐信号是否来源于动物轴线上的评判标准为：
(1)记录到的声呐探测信号不与其它个体的声呐信号发声混叠干扰；
(2)该声呐信号被录音用的水听器阵列中的所有的水听器都接收到了；
(3)位于中心位置的水听器记录到的声呐信号的声压级要高于周边的水听器对该信号所记录到的声压级；
(4)中间位置的水听器接收到的直线传播声呐信号要比该声呐信号的回声的声音强度要强。
在获得鲸类动物轴线声呐信号的基础上，可以进一步获得轴线声呐信号的基本声学参数的统计分布结果：包括时域参数(包括95％累计能量时间、-3分贝时间和-10分贝时间等),频域参数(包括峰值频率和中心频率等)、带宽参数(包括均方根带宽、-3分贝带宽、-10分贝带宽等)，能量参数(包括峰值表观声压级和均方根声压级等)和无量纲参数(包括Q值等)。
其中：
95％累计能量时间(τ95％e)：即包含脉冲信号所有能量的95％的区段，即位于累积能量97.5％与累积能量2.5％的位点之间的信号。
-3分贝时间(τ-3dB)：代表脉冲信号的包络结构中分别低于峰值振幅位点3dB的位点之间的时间差。其中脉冲信号的包络结构是对信号的声波结构进行希伯特转换(Hilberttransform function)后再取绝对值获得。
-10分贝时间(τ-10dB)：代表脉冲信号的包络结构中分别低于峰值振幅位点10dB的位点之间的时间差。其中脉冲信号的包络结构是对信号的声波结构进行希伯特转换(Hilbert transform function)后再取绝对值获得。
峰值频率(Fp)：信号的功率谱的最值位点对应的频率。
中心频率(Fc)：将信号的能量对分的位点对应的频率，其计算公式为：
Figure BDA0002372975290000071
其中f为频率，S(f)为声信号的傅立叶转换后的结果。
信号的均方根带宽(BWrms)：为信号的功率谱在中心频率处的标准偏差，其计算公式为：
Figure BDA0002372975290000072
其中f为频率，fc为信号的中心频率，S(f)为声信号的傅立叶转换后的结果。
-3dB带宽(BW-3dB)：声信号的一种描述变量，即在信号的功率谱图中，位于峰值频率两侧的低于其峰值频率3dB的位点的频率跨度范围。
-10dB带宽(BW-10dB)：在信号的功率谱图中，位于峰值频率两侧的低于其峰值频率10dB的位点的频率跨度范围。
峰值表观声压级：信号的峰值声压级的计算公式为：
Figure BDA0002372975290000081
其中Pmax为信号的最强声压值，Pref1为参考声压，即1μPa。
均方根声压级：信号的均方根声压级的计算公式为:
Figure BDA0002372975290000082
其中P(t)为信号的在时间t时候的瞬时声压值，T为信号的时长，Pref1为参考声压，即1μPa。
信号的质量因子(Q值)：信号的质量因子等于信号的中心频率除以信号的均方根带宽。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，包括信号采集模块，其特征在于，还包括单脉冲识别模块、脉冲串识别模块、无线发射模块、云端、无线接收模块以及终端；
所述信号采集模块由水听器、信号滤波器和信号放大器、数字信号采集卡、存储器以及供电电池等部件组成；
所述单脉冲识别模块与所述脉冲串识别模块相结合用以识别鲸类高频声呐信号；
所述单脉冲识别模块和脉冲串识别模块共同构成了声呐信号识别的数据处理中心；
所述声呐信号识别的数据处理中心在执行鲸类声呐监测算法前，需要确定所要监测的目标鲸类物种，并根据目标监测鲸类物种的声呐特性调整监测算法的相关声学参数；
所述声呐信号的声学参数包括时域参数、频域参数、带宽参数、能量参数和无量纲参数；
所述单脉冲识别基于单脉冲信号的时频域特性来进行综合识别；
经滤波和放大处理后的数字信号据首先进入信号处理中心的缓存区，根据监测点的噪音情况，通常会先设定一个监测阈值，当某个时刻信号的能量超过了这个监测阈值，数据处理中心将会以该点作为触发点提取一段声音片段，该声音片段的提取方式是以触发点为基准，向前和向后各提取一段声音文件；
提取的单脉冲信号通过和目标鲸类物种轴线声呐信号进行互相关分析，并计算相应的相关系数，以及单脉冲信号的时域参数、频域参数、带宽参数、能量参数和无量纲参数，当互相关分析的相关系数达到一定的阈值，同时所有的声学参数都在目标监测鲸类标准声呐信号相关参数的平均值±方差的范围内，则定义该提取的单脉冲信号为目标监测鲸类的高质量脉冲信号；
所述脉冲串识别模块是基于同一脉冲串信号中所包含的单脉冲的数量以及单脉冲信号之间的时域及声强结构特性来实现；
所述同一脉冲串信号中所包含的单脉冲的数量不小于5个；
所述同一脉冲串信号中，相邻的脉冲间间隔的比值RICI的变化幅值为80％-120％，即0.8≤RICI(i)＝ICI(i＝1)/ICI(i)≤1.2,i＝1,2,3,…,N-2，其中ICI(i)是第i个脉冲和第i+1个脉冲间的时间间隔；
所述同一脉冲串信号中，相邻的脉冲的声压级的比值RSPL的变化幅值为80％-120％，即0.8≤RSPL(i)＝SPL(i+1)/SPL(i)≤1.2,i＝1,2,3,…,N-1，其中SPL(i)为脉冲i的声压级；
所述无线发射模块用以将鲸类声呐信号识别系统数据处理中心识别出来的目标监测物种的脉冲串信号的监测时刻点，单脉冲波形文件以及相应的声学参数通过无线通信方式发射出去；
所述云端包括卫星通信及地面基站，所述卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波进而实现两个或多个地球通信站之间的通信，所述地面基站用以对4G和5G无线通信传送信号；
所述无线接收模块用以回收无线发射模块发出的经过卫星中继转发或者经过地面基站中继的携带有目标监测鲸类脉冲串信息的4G和/或5G信号；
所述终端包括手机移动端和实验室计算机端。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，其特征在于：所述单脉冲信号的时域参数包括95％累计能量时间、-3分贝时间和-10分贝时间；频域参数包括峰值频率和中心频率；带宽参数包括均方根带宽、-3分贝带宽、-10分贝带宽；能量参数包括峰值表观声压级和均方根声压级；无量纲参数包括Q值，Q值为信号的质量因子：信号的质量因子等于信号的中心频率除以信号的均方根带宽。
3.根据权利要求1所述的一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，其特征在于：所述目标鲸类物种轴线声呐信号，包括声呐信号的波形文件以及相应的声学参数的统计分布结果的获取方式包括文献检索和现场录音两种方法获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，其特征在于：所述目标鲸类物种轴线声呐信号需要采用水听器阵列系统录音获得；水听器阵列包括十字型或者Y型。
5.根据权利要求4所述的一种基于齿鲸类高频声呐信号的实时在线监测预警系统，其特征在于：所述采用水听器阵列系统录音时判断声呐信号是否来源于动物轴线上的评判标准为：记录到的声呐探测信号不与其它个体的声呐信号发声混叠干扰；该声呐信号被录音用的水听器阵列中的所有的水听器都接收到了；位于中心位置的水听器记录到的声呐信号的声压级要高于周边的水听器对该信号所记录到的声压级；中间位置的水听器接收到的直线传播声呐信号要比该声呐信号的回声的声音强度要强。
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