CN112931355A - 一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法，属于声学技术领域，所述方法在鱼饵出口侧方布设无指向性的水听器，对环境声信号进行实时监测；水听器连接一个数据处理模块和短时数据存储模块；水听器采集的信号进入数据处理模块，获得背景噪声能级以及进食特征信号能级，处理结果保存在存储模块中，用于进行背景噪声和进食特征信号的阈值检测；根据背景噪声高出阈值的量值以及特征信号的能量值，输出鱼饵投喂的控制信号nc，nc＝0～ncm，数值对应鱼饵投喂开关的开合大小，0为全闭合，ncm为全开放；达到鱼饵投放自动化控制目的。
Description
技术领域
本发明属于声学技术领域，具体地涉及一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法。
背景技术
鱼类养殖在经济地提供食物供应、弥补海洋捕捞的不足、维持生态平衡等方面具有重要意义。鱼的饲养是鱼类养殖的重要环节。目前常用的方法是定时、定量地对鱼类进行投喂。此做法的不足之处在于：1、依赖于养殖者的经验。对于每种鱼类需要多长时间喂食一次，一次投放多少的量，需要养殖者长期摸索、经过多次试验获得；2、不利于推广。鱼类的进食量会随着季节和鱼龄有所变化，养殖者的经验具有很大的局限性，无法推广；3、无法准确判定鱼类的进食行为。达不到按需喂养，无法提高喂养效率；4、不利于鱼类生长和水质的控制。鱼类生长期间，鱼饵的种类会有所变化，不同鱼饵投喂的量也会有所不同。过量的鱼饵会造成水质污染，引起鱼生病。
发明内容
为克服传统定时、定量投放鱼饵方法存在的问题，本发明提出一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法。该方法根据鱼类进食时的发声状况，控制鱼饵的投放量，实现对鱼类的自动化按需喂养。基于声学监测的方式，能够实时监控水中鱼类的进食状态，达到按需投喂的目的。
鱼类在进食时，游动以及吞食等行为会产生机械噪声，引起背景噪声的增大；有的鱼类会发出特定频率的信号，该信号意味着鱼类处于进食状态。本发明主要通过监测鱼饵投喂点附近环境噪声的方式，实现对鱼饵投喂量的自动控制，其核心是根据背景噪声的变化和进食信号的检测情况，来判断是否需要进行饵料投喂以及投喂量，达到鱼饵投放自动化控制目的。
本发明通过如下技术方案来实现的：
一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法，具体步骤如下：
1、水下声监测
在鱼饵出口侧方布设无指向性的水听器，对环境声信号进行实时监测；
2、背景噪声和进食特征信号的阈值检测
水听器连接一个数据处理模块和短时数据存储模块；水听器采集的信号进入数据处理模块，获得背景噪声能级以及进食特征信号能级，处理结果保存在存储模块中，用于进行背景噪声和进食特征信号的阈值检测；
所述背景噪声的阈值检测的具体步骤如下：
(1)计算背景噪声的声压级
将采集到的噪声数据以每5分钟为单位分段，分段后的数据使用FFT方法做功率谱分析；谱分析时，应把数据再细分为多段，然后对多段数据分别做FFT，保证FFT的频率分辨率小于1Hz；对每段数据应进行加窗处理；多段数据之间进行功率谱平均，获得该时间段的背景噪声的功率谱，进而获得该时间段背景噪声的声压级；具体步骤为：
设ti时刻接收器收到的海洋环境噪声信号pn(ti)，对pn(ti)做傅里叶变换：
Pn(fi)＝FFT(pn(ti))，其中fi＝ifs/N,i＝1,2,...,N；fs为采样频率，N为FFT的点数。
以f0(f0＜fs/2)为中心频率，在一定带宽范围内Δf＝fb-fa(fa≤f0≤fb)进行求和平均，获得背景噪声的强度：
对一定时间内的噪声强度进行平均，
背景噪声的声压级Lpf＝10log10(I/I0)，I0为参考声强，
遵循ANSI标准的S1.6-1984中通讯频率三分之一倍频程的划分标准，选取合适的fa和fb，分析背景噪声声压级；
将计算得到的背景噪声声压级存储进存储模块；
(2)设置背景噪声的阈值
在鱼类进食欲望强烈时，对应背景噪声的声压级较高；背景噪声的声压级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，背景噪声的声压级回复到正常状态。
根据存储模块中的背景噪声的声压级，每半小时进行平均，获得平均背景噪声的声压级A；实时获取存储的背景噪声的声压级的最大值B,阈值选取为T＝A+1/3*(B-A)；
(3)对背景噪声进行阈值检测
在背景噪声的实时声压级Lpf低于阈值T时，flag_n设为0；当背景噪声高于阈值时，flag_n设为1，富余量N＝Lpf-T；
所述进食特征信号的阈值检测方法：
在鱼类进食欲望强烈时，进食特征信号声压谱级也较高；进食特征信号声压谱级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，进食特征信号声压谱级回复到正常状态。
(1)计算进食特征信号的声压谱级
进食特征信号有特定的频段(如隆头鱼和梭鱼在22-30kHz，大比目鱼在7-10kHz，罗非鱼在1-6kHz)，计算该频带内的进食特征信号的声压谱级，获得进食特征信号的声压谱级,具体步骤如下：
按照公式(1)计算以f1(f1＜fs/2)为中心频率，在一定带宽范围内Δf′＝f′b-f′a(f′a≤f1≤f′b)的信号强度I′n，对一定时间内的信号强度进行平均，
进食特征信号的声压谱级Lps＝10log10(I′/I0)-10log10(Δf′)，I0为参考声强；
选取合适的f′a和f′b，分析进食特征信号的声压谱级；将计算得到的进食特征信号声压谱级存储进存储模块；
(2)设置进食特征信号声压谱级的阈值
根据存储模块中的进食特征信号的声压谱级，每半小时进行平均，获得平均进食特征信号的声压谱级As；实时获取存储的进食特征信号的声压谱级的最大值Bs；阈值选取为Ts＝As+3；
(3)对进食特征信号进行阈值检测
a、当瞬时进食特征信号声压谱级Lps<Ts时，flag_s设为0；
b、当瞬时进食特征信号声压谱级Lps>Ts时，flag_s设为1，富余量Ns＝Lps-Ts；
3、投喂控制
根据背景噪声高出阈值的量值以及特征信号的能量值，输出鱼饵投喂的控制信号nc，nc＝0～ncm，数值对应鱼饵投喂开关的开合大小，0为全闭合，ncm为全开放；ncm根据需要进行设置；
投喂开始时，nc＝ncm；下式中的[]为取整操作；
1)当flag_s＝0，flag_n＝0时，nc＝0；
2)当flag_s＝0，flag_n＝1时，nc＝[N/(B-T)*ncm]；
3)当flag_s＝1，flag_n＝0时，nc＝[Ns/(Bs-Ts)*ncm]；
4)当flag_s＝1，flag_n＝1时，nc取[Ns/(Bs-Ts)*ncm]和[N/(B-T)*ncm]二者的最大值。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、本发明方法能够实时监控环境噪声，并对环境噪声取一段时间的平均值，剔除了环境噪声误差，比如某一时刻工具噪声等，根据声信号判定鱼类进食行为更加准确，做到按需投喂；
2、本发明方法不仅适用于大黄鱼、大比目鱼、隆头鱼、罗非鱼等，还适用于摄食不产生进食特征信号能量的鱼类，比如草鱼、鲢鱼等，普适性强。
3、有利于鱼类养殖环境的控制(水质、噪声等方面)。按需投喂，能够避免投放过量的饵料，导致水质变差。本方法中存储了养殖环境中的背景噪声能级，这些数据可以用来判断养殖环境的噪声是否会对鱼类产生影响。
附图说明
图1本发明方法原理示意图；
图2本发明方法流程图；
图3环境噪声谱级和时频特性数据的提取流程；
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
如图1、图2所示，鱼饵自动投喂方法主要分为水下声监测、阈值检测和投喂控制三个步骤，其中阈值检测包含背景噪声阈值检测和进食特征信号阈值检测两部分，作为鱼类进食状态的判断依据。
一、水下声监测
在鱼饵出口侧方布设无指向性的水听器，对环境声信号进行实时监测。
二、阈值检测
水听器连接一个数据处理模块和短时数据存储模块；水听器采集的信号进入数据处理模块，获得背景噪声能级以及进食特征信号能级，处理结果保存在存储模块中，用于进行背景噪声和进食特征信号的阈值检测；
所述背景噪声的阈值检测的具体步骤如下：
(1)计算背景噪声的声压级
如图3所示，将采集到的噪声数据以每5分钟为单位分段，分段后的数据使用FFT方法做功率谱分析；谱分析时，应把数据再细分为多段，然后对多段数据分别做FFT，保证FFT的频率分辨率小于1Hz；对每段数据应进行加窗处理。由于数据量较多，在数据分段时可以不用重叠。多段数据之间进行功率谱平均对每段数据应进行加窗处理；多段数据之间进行功率谱平均，获得该时间段的背景噪声的功率谱，进而获得该时间段背景噪声的声压级；具体步骤为：
设ti时刻接收器收到的海洋环境噪声信号pn(ti)，对pn(ti)做傅里叶变换：
Pn(fi)＝FFT(pn(ti))，其中fi＝ifs/N,i＝1,2,...,N；fs为采样频率，N为FFT的点数。
以f0(f0＜fs/2)为中心频率，在一定带宽范围内Δf＝fb-fa(fa≤f0≤fb)进行求和平均，获得背景噪声的强度：
对一定时间内的噪声强度进行平均，
背景噪声的声压级Lpf＝10log10(I/I0)，I0为参考声强；
遵循ANSI标准的S1.6-1984中通讯频率三分之一倍频程的划分标准，选取合适的fa和fb，分析背景噪声声压级；
将计算得到的背景噪声声压级存储进存储模块；
(2)设置背景噪声的阈值
在鱼类进食欲望强烈时，对应背景噪声的声压级较高；背景噪声的声压级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，背景噪声的声压级回复到正常状态。
根据存储模块中的背景噪声的声压级，每半小时进行平均，获得平均背景噪声的声压级A；实时获取存储的背景噪声的声压级的最大值B,阈值选取为T＝A+1/3*(B-A)；
(3)对背景噪声进行阈值检测
在背景噪声的实时声压级Lpf低于阈值T时，flag_n设为0；当背景噪声高于阈值时，flag_n设为1，富余量N＝Lpf-T；
所述进食特征信号的阈值检测方法：
在鱼类进食欲望强烈时，进食特征信号声压谱级也较高；进食特征信号声压谱级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，进食特征信号声压谱级回复到正常状态。
(1)计算进食特征信号的声压谱级
进食特征信号有特定的频段(如隆头鱼和梭鱼在22-30kHz，大比目鱼在7-10kHz，罗非鱼在1-6kHz)，计算该频带内的进食特征信号的声压谱级，获得进食特征信号的声压谱级,具体步骤如下：
按照公式(1)计算以f1(f1＜fs/2)为中心频率，在一定带宽范围内Δf′＝f′b-f′a(f′a≤f1≤f′b)的信号强度I′n，对一定时间内的信号强度进行平均，
进食特征信号的声压谱级Lps＝10log10(I′/I0)-10log10(Δf′)，I0为参考声强；
选取合适的f′a和f′b，分析进食特征信号的声压谱级；将计算得到的进食特征信号声压谱级存储进存储模块；
(2)设置进食特征信号声压谱级的阈值
根据存储模块中的进食特征信号的声压谱级，每半小时进行平均，获得平均进食特征信号的声压谱级As；实时获取存储的进食特征信号的声压谱级的最大值Bs；阈值选取为Ts＝As+3；
(3)对进食特征信号进行阈值检测
a、当瞬时进食特征信号声压谱级Lps<Ts时，flag_s设为0；
b、当瞬时进食特征信号声压谱级Lps>Ts时，flag_s设为1，富余量Ns＝Lps-Ts；
3、投喂控制
根据背景噪声高出阈值的量值以及特征信号的能量值，输出鱼饵投喂的控制信号nc，nc＝0～ncm，数值对应鱼饵投喂开关的开合大小，0为全闭合，ncm为全开放；ncm根据需要进行设置；
投喂开始时，nc＝ncm；下式中的[]为取整操作；
(1)当flag_s＝0，flag_n＝0时，nc＝0；
(2)当flag_s＝0，flag_n＝1时，nc＝[N/(B-T)*ncm]；
(3)当flag_s＝1，flag_n＝0时，nc＝[Ns/(Bs-Ts)*ncm]；
(4)当flag_s＝1，flag_n＝1时，nc取[Ns/(Bs-Ts)*ncm]和[N/(B-T)*ncm]二者的最大值。
该方法通过鱼类的进食状态，来控制饵料投喂的多少。可以不依赖饲养者的经验投放饵料，在满足鱼类需求的同时避免过度投放，更加经济、环保。
Claims (1)
1.一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：
1)水下声监测
在鱼饵出口侧方布设无指向性的水听器，对环境声信号进行实时监测；
2)背景噪声和进食特征信号的阈值检测
水听器连接一个数据处理模块和短时数据存储模块；水听器采集的信号进入数据处理模块，获得背景噪声能级以及进食特征信号能级，处理结果保存在存储模块中，用于进行背景噪声和进食特征信号的阈值检测；
所述背景噪声的阈值检测的具体步骤如下：
(1)计算背景噪声的声压级
将采集到的噪声数据以每5分钟为单位分段，分段后的数据使用FFT方法做功率谱分析；谱分析时，应把数据再细分为多段，然后对多段数据分别做FFT，保证FFT的频率分辨率小于1Hz；对每段数据应进行加窗处理；多段数据之间进行功率谱平均，获得该时间段的背景噪声的功率谱，进而获得该时间段背景噪声的声压级；具体步骤为：
设ti时刻接收器收到的海洋环境噪声信号pn(ti)，对pn(ti)做傅里叶变换：
Pn(fi)＝FFT(pn(ti))，其中fi＝ifs/N,i＝1,2,...,N；fs为采样频率，N为FFT的点数；
以f0(f0＜fs/2)为中心频率，在一定带宽范围内Δf＝fb-fa(fa≤f0≤fb)进行求和平均，获得背景噪声的强度：
对一定时间内的噪声强度进行平均，
背景噪声的声压级Lpf＝10log10(I/I0)，I0为参考声强；
遵循ANSI标准的S1.6-1984中通讯频率三分之一倍频程的划分标准，选取合适的fa和fb，分析背景噪声声压级；
将计算得到的背景噪声声压级存储进存储模块；
(2)设置背景噪声的阈值
在鱼类进食欲望强烈时，对应背景噪声的声压级较高；背景噪声的声压级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，背景噪声的声压级回复到正常状态；
根据存储模块中的背景噪声的声压级，每半小时进行平均，获得平均背景噪声的声压级A；实时获取存储的背景噪声的声压级的最大值B,阈值选取为T＝A+1/3*(B-A)；
(3)对背景噪声进行阈值检测
在背景噪声的实时声压级Lpf低于阈值T时，flag_n设为0；当背景噪声高于阈值时，flag_n设为1，富余量N＝Lpf-T；
所述进食特征信号的阈值检测方法：
在鱼类进食欲望强烈时，进食特征信号声压谱级也较高；进食特征信号声压谱级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，进食特征信号声压谱级回复到正常状态；
(1)计算进食特征信号的声压谱级
进食特征信号有特定的频段，计算该频带内的进食特征信号的声压谱级，获得进食特征信号的声压谱级,具体步骤如下：
按照公式(1)计算以f1为中心频率，其中f<1f<s2，在一定带宽范围内Δf′＝f′b-f′a(f′a≤f1≤f′b)的信号强度I′n，对一定时间内的信号强度进行平均，
进食特征信号的声压谱级Lps＝10log10(I′/I0)-10log10(Δf′)，I0为参考声强；
选取合适的f′a和f′b，分析进食特征信号的声压谱级；将计算得到的进食特征信号声压谱级存储进存储模块；
(2)设置进食特征信号声压谱级的阈值
根据存储模块中的进食特征信号的声压谱级，每半小时进行平均，获得平均进食特征信号的声压谱级As；实时获取存储的进食特征信号的声压谱级的最大值Bs；阈值选取为Ts＝As+3；
(3)对进食特征信号进行阈值检测
a、当瞬时进食特征信号声压谱级Lps<Ts时，flag_s设为0；
b、当瞬时进食特征信号声压谱级Lps>Ts时，flag_s设为1，富余量Ns＝Lps-Ts；
3)投喂控制
根据背景噪声高出阈值的量值以及特征信号的能量值，输出鱼饵投喂的控制信号nc，nc＝0～ncm，数值对应鱼饵投喂开关的开合大小，0为全闭合，ncm为全开放；ncm根据需要进行设置；
投喂开始时，nc＝ncm；下式中的[]为取整操作；
1)当flag_s＝0，flag_n＝0时，nc＝0；
2)当flag_s＝0，flag_n＝1时，nc＝[N/(B-T)*ncm]；
3)当flag_s＝1，flag_n＝0时，nc＝[Ns/(Bs-Ts)*ncm]；
4)当flag_s＝1，flag_n＝1时，nc取[Ns/(Bs-Ts)*ncm]和[N/(B-T)*ncm]二者的最大值。
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