一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统及其方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统，包括依次顺序连接的驻波拾音传声器阵列、控制处理单元、无线数据传输单元和显控单元；其中，驻波拾音传声器阵列与控制处理单元通过电缆连接，控制处理单元安装在防水壳体内；驻波拾音传声器阵列和控制处理单元安装在野外的监测节点处，采集和处理野外的若干鸟鸣声信号，获得最佳的总鸟鸣声信号，通过无线数据传输单元，将最佳的总鸟鸣声信号发送到显控单元显示，实现鸟类鸣声的无人值守式的自动远程监测，解决了鸟类行为活动的监测的快速反应，突破了鸟类远程自动化生态监测的技术瓶颈，可以应用于海岛、湿地等特殊环境下的鸟类及生态环境监测。

A system and method for monitoring the intensity and distribution of bird song in the field

【技术实现步骤摘要】
一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统及其方法
本专利技术涉及鸟类学、鸟类鸣声监测和信息的
，具体而言涉及一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统及其方法。
技术介绍
海岛是鸟类重要的栖息地，也是鸟类生态环境保护和利用的重要场所。美国、英国等发达国家己经建立了国家尺度的鸟类监测网络，并取得了很好的效果。我国也开展了大量的鸟类调查与监测工作，主要集中于对一个地区的陆地鸟类的种类、数量和分布的研究。为推动我国鸟类监测工作，2011年，环保部南京环境科学研究所组织开展了生物多样性(鸟类)示范监测，通过开展试点研究，探索构建我国生物多样性监测网络。目前，海岛及滨海湿地鸟类的研究在我国基础相对薄弱，仅对中华凤头燕鸥、红脚鲣鸟、黄嘴白鹭等海岛鸟类开展过有限的研究。湿地鸟类监测工作主要包括在长江中下游湿地和东部沿海湿地开展的越冬水鸟调查、环鄱阳湖越冬水鸟同步调查以及自2005年起所开展的全国沿海水鸟调查。其中，仅鄱阳湖保护区总面积达22400公顷，年生态经济价值大于1500亿元，因此实现对重要生态区生态信息的大尺度、高精度、快速准确获取的意义十分重大。其中，鸟类的鸣声具有独特性，不同鸟类的鸣声的声纹具有差异性，是鸟类物种鉴别的重要依据，通过对鸟类鸣声的监测能够实现对鸟类物种多样性的评估。目前，传统的鸟类鸣声监测方法主要以人力为基础，劳动强度大，观察范围小，受天气影响大，且无法实时记录和分析飞鸟活动情况。另外，在野外调查和数据分析上，往往需要花费大量时间和人力、物力，成本较高，效率较低。对海岛湿地而言，还存在地理环境特殊、交通不便、气候恶劣多变等问题，导致传统的鸟类调查方法不能做到远程监测，难以适用于海岛鸟类的监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，解决现有的鸟类鸣声监测方法存在上述问题，本专利技术提供了一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统及其方法，采用多个驻波传声器形成不同形式的监测传声器阵列，用于被动监听鸟类鸣声；利用具有指向性的多元阵列声学传感器采集野外鸟类的鸣声，通过波束形成技术，实现抑制环境噪声，实现鸟鸣声音频增强，在复杂背景噪声环境下提高对鸟鸣叫声信号的检测能力；能够实现对鸟类鸣声的采集、处理和分析。将该系统布放在野外海岛、湿地等复杂环境中，通过3G/4G/5G或者WIFI等无线通信方式，将鸟类鸣声及其处理结果传输到监测中心，实现鸟类鸣声的无人值守式的自动远程监测，解决了鸟类行为活动的监测的快速反应，突破了鸟类远程自动化生态监测的技术瓶颈，可以应用于海岛、湿地等特殊环境下的鸟类及生态环境监测。其中，远程自动监测技术的应用不仅能够减小野外实地调查的人力劳动，获取野外连续的观测数据，还可以作为其他数据的补充，而且能够降低成本，提高监测的精度和准确性。通过对鸟类鸣声的自动远程监测能够实现对鸟类物种多样性的评估，远程无线数据传输适合大范围的生态监测。为实现上述目的，本专利技术提出一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统，有效解决野外鸟类鸣声、活动情况及生物资源量实时、长期监测和评估；所述系统包括依次顺序连接的驻波拾音传声器阵列、控制处理单元、无线数据传输单元和显控单元；其中，驻波拾音传声器阵列与控制处理单元通过电缆连接，控制处理单元安装在防水壳体内，采用新能源的供电方式进行供电；所述供电方式为太阳能或风能；驻波拾音传声器阵列和控制处理单元安装在野外的监测节点处，采集和处理野外的若干鸟鸣声信号，获得最佳的总鸟鸣声信号，通过无线数据传输单元，将最佳的总鸟鸣声信号发送到显控单元显示。在上述技术方案中，所述驻波拾音传声器阵列为直线传声器阵列、圆形传声器阵、平面传声器阵列或球形传声器阵列。在上述技术方案中，所述驻波拾音传声器阵列优选为直线传声器阵列，其包括：若干驻波传声器基元；所述驻波传声器基元包括：驻波传声器和保护罩；所述驻波传声器拾取和接收鸟类鸣声信号、环境噪音信号；所述保护罩安装在驻波传声器上，驻波传声器底部设有凸台，将凸台插入传声器阵列支架上，并固定在传声器阵列支架上，用于保护驻波传声器和消除风雨声的背景噪声干扰。其中，根据鸟类鸣声的优势频率和半波长确定驻波传声器基元之间的间距；其中，所述优势频率为1～2kHz；具体如下：所述驻波拾音传声器阵列采用半波长(λ/2)和鸟类的鸣声的优势频率布阵。因此，对于直线传声器阵列，按照优势频率为2kHz的半波长进行布阵，假设声音在空气中传播速度为340m/s，则波长采用下列公式(1)：则半波长λ/2＝8.5cm，即布阵间距d＝8.5cm。因此，直线性传声器阵列的长度L：L＝(n-1)×d＝(n-1)×8.5cm，其中，n表示阵列中基元的数量；根据设定好的布阵间距d，在传声器阵列支架上依次分布若干驻阵列中拾音器基元数量。如果采用其他成阵方式，则可以根据阵的特点和工作要求设计驻波拾音传声器阵列的具体结构和形式。其中，每个驻波传声器都具有高灵敏度、低噪声、宽频率响应范围特性，且每个驻波传声器有良好的相位一致性，其拾音的取值范围为10Hz～40kHz。由常规的时延--求和波束合成方法获得一个鸟鸣声总信号，该信号将每个驻波传声器基元采集的鸟鸣声信号进行合成，即驻波拾音传声器阵列的输出，能够有效抑制不相关噪声，获得更好信号信噪比，有利于鸟鸣声信号的检测。在上述技术方案中，所述控制处理单元采用小型化、低功耗方法，满足野外环境下，特别是海岛电源短缺情况下的长期监测；通过对鸟类鸣声信号拾取、信号调理和数字化采集，并完成鸟鸣声信号的数字滤波和二次调节的预处理，以及鸟鸣声信号特征提取，采用常规的时延--求和波束合成方法，以获得最佳的信噪比的鸟鸣声总信号；再通过控制接口，将鸟鸣声总信号发送给无线数据传输单元，再通过无线数据传输单元，将鸟鸣声总信号发送至终端显控制单元，实现对整个系统的控制和参数的设置，进而实现对鸟类鸣声的自动远程监测。其中，所述控制处理单元包括：前置放大模块，其前端与每个驻波传声器相连接，建立对应的通信通道，对每个驻波传声器拾取的微弱的鸟鸣声信号进行前置放大；其后端与采集电路模块相连接；采集电路模块，用于对经过前置放大电路初步放大后的每个通道中的鸟鸣声信号进行二次放大、滤波、增益动态调节，再将经过上述处理之后的每个通道中的鸟鸣声信号转换为数字信号，获得每个通道的鸟鸣声数字信号；信号处理模块，采用多路24位AD芯片和高速通用信号处理芯片(DSP)，采样率大于192kHz，能够同时采集和处理每个通道的鸟鸣声数字信号；具体地，将每个通道的鸟鸣声数字信号进行带通滤波处理，滤除带外噪声，采用常规的时延--求和波束合成方法，再对经过上述处理的每个通道的鸟鸣信号进行波束合成处理，获得鸟鸣声总信号，并对鸟鸣声总信号去除相干噪声处理，以获得干净的、最佳信噪比的总鸟鸣声信号；另外，根据总鸟鸣声信号，可以对鸟鸣声进行初步定位和判断鸟类的种类；控制模块，对系统的信号采样频率、工作周期、增益、数据传输、波束合成方式等工作参数进行设置，并控制将获得的最佳的信噪比的总鸟鸣声信号通过控制接口，将总鸟鸣声总信号发送给无线数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统，其特征在于，包括依次顺序连接的驻波拾音传声器阵列、控制处理单元、无线数据传输单元和显控单元；其中，驻波拾音传声器阵列与控制处理单元通过电缆连接，控制处理单元安装在防水壳体内；驻波拾音传声器阵列和控制处理单元安装在野外的监测节点处，采集和处理野外的若干鸟鸣声信号，获得最佳的总鸟鸣声信号，通过无线数据传输单元，将最佳的总鸟鸣声信号发送到显控单元显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于监测野外鸟类鸣声强度及分布的系统，其特征在于，包括依次顺序连接的驻波拾音传声器阵列、控制处理单元、无线数据传输单元和显控单元；其中，驻波拾音传声器阵列与控制处理单元通过电缆连接，控制处理单元安装在防水壳体内；驻波拾音传声器阵列和控制处理单元安装在野外的监测节点处，采集和处理野外的若干鸟鸣声信号，获得最佳的总鸟鸣声信号，通过无线数据传输单元，将最佳的总鸟鸣声信号发送到显控单元显示。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驻波拾音传声器阵列为直线传声器阵列、圆形传声器阵、平面传声器阵列或球形传声器阵列。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述驻波拾音传声器阵列为直线传声器阵列，其包括：若干驻波传声器基元；所述驻波传声器基元包括：驻波传声器(1)和保护罩(2)；所述驻波传声器(1)拾取和接收鸟类鸣声信号、环境噪音信号；所述保护罩(2)安装在驻波传声器上，驻波传声器(1)底部设有凸台(4)，将凸台(4)插入传声器阵列支架(3)上，并固定在传声器阵列支架(3)上。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，根据鸟类鸣声的优势频率和半波长确定驻波传声器基元之间的间距；其中，所述优势频率为1～2kHz。


5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制处理单元包括：
前置放大模块，用于通过建立对应的通信通道，对每个驻波传声器拾取的微弱的鸟鸣声信号进行前置放大；其后端与采集电路模块相连接；
采集电路模块，用于对经过前置放大电路初步放大后的每个通道中的鸟鸣声信号进行二次放大、滤波、增益动态调节，再通过数字转换，获得每个通道的鸟鸣声数字信号；
信号处理模块，用于将每个通道的鸟鸣声数字信号进行带通滤波处理，滤除带外噪声，再对经过上述处理的每个通道的鸟鸣信号进行波束合成处理，获得鸟鸣声总信号，并对鸟鸣声总信号去除相干噪声处理，获得总鸟鸣声信号；
控制模块，用于通过控制接口，将获得的总鸟鸣声信号发送给无线数据传输单元，再通过无线数据传输单元发送到终端显控单元；
电源模块，采用新能源的供电方式进行供电。


6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集电路模块进一步包括：
二级放大子模块，用于获得经过二次放大的二次放大信号；所述二次放大信号的频率范围为5Hz～100kHz；
动态调节子模块，用于对经过二次放大的鸟鸣声信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张纯，许枫，张巧花，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11