一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法及系统，所述方法包括：通过水听器获取风电场海域生物发生的音频流、船舶噪声和海上风电场施工噪音；通过声学信号采集卡对水听器采集的原始音频数据进行水下生物声音采集，在采集完成后转换得到对应的数字音频信号；通过预设声音程序过滤数字音频信号的海洋背景噪声信号，并分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号；采用NI LabVIEW程序实时显示并分析海洋生物声音信号，得到对应的海洋生物数据，以使根据海洋生物数据完成海上风电场的生物监测。本发明专利技术能够综合考虑海洋生物数据以及外界噪声进行海洋生物信号的实时检测和分类，提高海洋生物监测的实时性和全面性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法及系统
本专利技术涉及海洋生态环境监测
，尤其是涉及一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法及系统。
技术介绍
随着我国明确提出建设海洋强国的战略目标，海上风电作为海洋新兴产业和新海洋经济增长点，发展迅猛。我国海上风电开发起步较晚，机遇与挑战并存。因此对于海上风电场开发越发重视。在海上风电场建设前期，必须进行地质勘探，如使用大功率声信号探测源等会带来高强度的水下噪声和地质勘探中航船的辐射水下噪声。风电场建设期，打桩施工会向水下辐射较高强度、宽频带的噪声，对海洋生物如海洋哺乳动物和石首科鱼类等将造成一定范围的影响；并且在风电场建设期间会在水中以及海床产生高强度的施工噪声，当海洋中人为噪声足够大并且鱼类相对靠近声源时，会造成鱼类死亡或者听力丧失，但其影响是短期的，随着施工结束而停止。而在风电场运营期间，由于风机的运转和机舱内的机械振动均会带来水下噪声，风电机组的运行噪声的影响是长期的，虽然噪声强度并不能够导致鱼类听觉的损伤，但会引起鱼类行为上的反应。且这个过程是海上风电场整个生命周期中最长的一个阶段。由此可见，需要对风电场整个生命周期进行全天候、实时性的海洋生物监测。近年以来，现有技术已经能够通过水听器(阵列)的方法对海洋生物进行数据采集，利用提取到的哺乳动物发声数据，对哺乳动物发声规律进行研究。但是，在对现有技术的研究与实践的过程中，本专利技术的专利技术人发现，现有技术通过水听器对海洋生物进行数据采集和研究会存在以下缺陷，一方面，由于现有技术需要在数据采集完成后才能通过读取存储卡中的数据进行数据分析，无法保证实时获取并监测海洋生物声音的波形图以及频谱图，而这仅仅适用于离线哺乳动物发生规律的研究，但在海上风电场施工建设期，往往海洋哺乳动物出现在相关海域的可能性较大，自容式水听器阵列不能够及时地反映风电场施工期间的海洋生物行为变化，从而不能做出及时决策，在此情况下，可能会对海洋生物造成潜在性影响。另一方面，海洋哺乳动物的通讯信号是一种幅度和频率随时间变化的连续信号，持续时间从十分之几秒到几秒不等，频率分布主要集中在声频范围内，一般几千到几十千赫兹之间，主要用来种群交流、情感表达、远距离通讯、个体识别等；应急突发信号一般在生物生气、害怕、懊恼、沮丧时发出；由于海洋生物声音信号是在特定情况下发出的，难于描述以及采集，现有技术对海洋生物的监测仅仅局限于对生物发声规律的研究，缺乏海洋生物监测的信息全面性。因此，亟需一种实时的、连续的、高效的方法对海上风电海域生物行为进行监测，为海洋经济高质量发展和能源可持续发展提供重要的科技支撑和决策支持，实现海洋生态文明建设，实现海上风电开发和海洋生态保护双赢。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法及系统，能够综合考虑海洋生物数据以及外界噪声，有效进行海洋生物信号的实时检测和分类。为解决上述问题，本专利技术的一个实施例提供了一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法，至少包括如下步骤：通过组成阵列的若干台水听器获取风电场海域生物发生的音频流、船舶噪声以及海上风电场施工噪音，并转换为电信号进行存储；在触发预设采集条件后，通过声学信号采集卡对所述水听器采集的原始音频数据进行水下生物声音采集，在采集完成后转换得到对应的数字音频信号；通过预设声音程序过滤所述数字音频信号中的海洋背景噪声信号，并分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号；采用NILabVIEW程序实时显示并分析所述海洋生物声音信号，分析得到所述海洋生物声音信号对应的海洋生物数据，以使根据所述海洋生物数据完成海上风电场的生物监测。进一步地，所述基于被动声学的海上风电场生物监测方法，还包括：通过所述NILabVIEW程序中的声音与振动信号处理工具包以及自定义声音处理代码对所述海洋生物数据进行在线分析。进一步地，所述基于被动声学的海上风电场生物监测方法，还包括：在所述水听器放置前，对所述水听器进行参数设定；其中，所述参数包括采样率、采样间隔和启动录音时间。进一步地，所述预设采集条件，具体为：通过NILabVIEW程序实时FFT分析所述水听器采集的原始音频数据，当判定所述原始音频数据中的频率大于预设阈值时，开始水下生物的声音采集。进一步地，所述分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号，包括：预先分别对所述海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号的时间特征和频率特性进行特征分析；采用能量检测算法对所述数字音频信号进行检测和分类，提取出目标信号并进行分类。进一步地，所述采用能量检测算法对所述数字音频信号进行检测和分类，提取出目标信号并进行分类，具体为：采用模板匹配以及带限能量和方法从所述数字音频信号中提取出目标信号；对所述目标信号的特征参数进行统计分析后，通过神经网络和深度学习算法对所述目标信号进行分类识别；在完成分类识别后进行人工校正和标注。进一步地，所述采用NILabVIEW程序实时显示并分析所述海洋生物声音信号，分析得到所述海洋生物声音信号对应的海洋生物数据，具体为：采用NILabVIEW程序分析所述海洋生物声音信号的时间特性、频率特性和声谱特性，得到对应的时域特征参数、频域特征参数和时频域特征参数；将所述时域特征参数、频域特征参数和时频域特征参数输入至预设的分类算法中，通过神经网络和深度学习算法进行分类识别，得到对应的海洋生物数据。本专利技术的一个实施例提供了一种基于被动声学的海上风电场生物监测系统，包括：水下原始音频采集模块，用于通过组成阵列的若干台水听器获取风电场海域生物发生的音频流、船舶噪声以及海上风电场施工噪音，并转换为电信号进行存储；水下生物声音采集模块，用于在触发预设采集条件后，通过声学信号采集卡对所述水听器采集的原始音频数据进行水下生物声音采集，在采集完成后转换得到对应的数字音频信号；生物声音检测模块，用于通过预设声音程序过滤所述数字音频信号中的海洋背景噪声信号，并分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号；生物声音分析模块，用于采用NILabVIEW程序实时显示并分析所述海洋生物声音信号，分析得到所述海洋生物声音信号对应的海洋生物数据，以使根据所述海洋生物数据完成海上风电场的生物监测。本专利技术的一个实施例还提供了一种基于被动声学的海上风电场生物监测的终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法。本专利技术的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法。实施本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，至少包括如下步骤：/n通过组成阵列的若干台水听器获取风电场海域生物发生的音频流、船舶噪声以及海上风电场施工噪音，并转换为电信号进行存储；/n在触发预设采集条件后，通过声学信号采集卡对所述水听器采集的原始音频数据进行水下生物声音采集，在采集完成后转换得到对应的数字音频信号；/n通过预设声音程序过滤所述数字音频信号中的海洋背景噪声信号，并分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号；/n采用NI LabVIEW程序实时显示并分析所述海洋生物声音信号，分析得到所述海洋生物声音信号对应的海洋生物数据，以使根据所述海洋生物数据完成海上风电场的生物监测。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
通过组成阵列的若干台水听器获取风电场海域生物发生的音频流、船舶噪声以及海上风电场施工噪音，并转换为电信号进行存储；
在触发预设采集条件后，通过声学信号采集卡对所述水听器采集的原始音频数据进行水下生物声音采集，在采集完成后转换得到对应的数字音频信号；
通过预设声音程序过滤所述数字音频信号中的海洋背景噪声信号，并分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号；
采用NILabVIEW程序实时显示并分析所述海洋生物声音信号，分析得到所述海洋生物声音信号对应的海洋生物数据，以使根据所述海洋生物数据完成海上风电场的生物监测。


2.根据权利要求1所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，还包括：
通过所述NILabVIEW程序中的声音与振动信号处理工具包以及自定义声音处理代码对所述海洋生物数据进行在线分析。


3.根据权利要求1所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，还包括：
在所述水听器放置前，对所述水听器进行参数设定；其中，所述参数包括采样率、采样间隔和启动录音时间。


4.根据权利要求1所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，所述预设采集条件，具体为：
通过NILabVIEW程序实时FFT分析所述水听器采集的原始音频数据，当判定所述原始音频数据中的频率大于预设阈值时，开始水下生物的声音采集。


5.根据权利要求1所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，所述分离和标记出海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号，包括：
预先分别对所述海洋生物声音信号、船舶噪声信号和海上风电场施工噪音信号的时间特征和频率特性进行特征分析；
采用能量检测算法对所述数字音频信号进行检测和分类，提取出目标信号并进行分类。


6.根据权利要求5所述的基于被动声学的海上风电场生物监测方法，其特征在于，所述采用能量检测算法对所述数字音频信号进行检测和分类，提取出目标信号并进行分类，具体为：
采用模板匹配以及带限能量和方法从所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈焱琨，董超，周德富，王伟平，蒋俊杰，欧阳永忠，
申请(专利权)人：国家海洋局南海调查技术中心国家海洋局南海浮标中心，
类型：发明
国别省市：广东;44