基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法技术

本发明专利技术公开了基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法，其特征在于：所述统计特性分析方法如下所示：步骤1、数据采集：基于大型半潜式养殖平台，布放水听器；步骤2、测试布局：为了更清楚地分析测试过程鱼群噪声受外界激励的影响，跟踪记录数据采集过程中可能影响噪声信号的事件；步骤3、对数据进行分析；步骤4、结果与分析；本发明专利技术采用信号处理技术可以确定鱼类频谱特征。不同鱼群的发声频带其短时特性有所不同，可以此来区分网箱不同鱼类的发声特性；本发明专利技术拓展应用于被动声学技术分析海洋鱼类行为与声学生态环境的相关性。分析海洋鱼类行为与声学生态环境的相关性。分析海洋鱼类行为与声学生态环境的相关性。

【技术实现步骤摘要】
基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法


[0001]本专利技术涉及大型网箱养殖鱼群生信号的特征研究
，具体是指基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法。

技术介绍

[0002]被动声呐技术逐渐成为海洋渔业资源评估、养护以及海洋生态系统监测的重要手段和工具。相对于传统的渔业资源调查方法，声学监测方法将渔业资源量的评估、计算与科学技术手段相结合，具有精度高、调查范围广、全天候检测等优点。长期以来，人们对鱼类发声行为的生物学意义作了大量的调查研究。鱼类的发声器官结构多种多样，其发声机制和发声频谱特性也有所不同。目前普遍认同的鱼类发声分类方法有(1)摩擦发声：鱼类进食的时候牙齿相互摩擦发声，鱼类受到惊吓的时候身体部位摩擦和拍打发声。摩擦机制产生的声音频率集中在100～8000Hz之间，其主要能量分布在1000～4000Hz之间，摩擦音是具有宽频谱的非谐波脉冲信号；(2)振动发声：通过发声肌肉收缩带动鳔振动而发声。鳔的振动发声频率带宽为50～1500Hz，并且同时存在基频和高频谐波；(3)水动力发声：通常发生在鱼快速转向或者快速改变速度时。这些声音的频率较低，处在20Hz以下的次声波段。这些声波是鱼活动时产生的，并不包含种群交流的信息。已有研究表明，频率为50Hz～10kHz的生物噪声包括游泳噪声、生物发声、摄食噪声，能够充分反映信息交流、防卫、觅食等鱼群状态。
[0003]现有技术不能针对大型网箱养殖鱼群声信号特征进行统计特征并进行相应的分析。
[0004]所以，基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法成为人们亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是现有技术不能针对大型网箱养殖鱼群声信号特征进行统计特征并进行相应的分析。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法，所述统计特性分析方法如下所示：
[0007]步骤1、数据采集：基于大型半潜式养殖平台，布放水听器；
[0008]步骤2、测试布局：为了更清楚地分析测试过程鱼群噪声受外界激励的影响，跟踪记录数据采集过程中可能影响噪声信号的事件；
[0009]步骤3、对数据进行分析：利用短时分析技术，研究网箱内不同鱼群噪声信号的特性，短时能量描述了每帧声音信号的能量大小，其变化趋势与声音信号的波形一致，能够很好的反映声音的时域信息；
[0010]设时域信号未x，加汉宁窗处理分帧得到第n帧信号为x
n
(m)，则x
n
(m)满足下式：
[0011]x
n
(m)＝w(m)x(n+m)0≤m≤N
‑
10≤m≤N
‑1ꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中所采用的汉宁窗的窗函数表达式为：
[0013][0014]式中，n＝0,1T,2T,...,NT为帧长，设第n帧声信号x
n
(m)的短时能量用E
n
表示，则计算公式如下：
[0015][0016]短时过零率指每帧内信号通过零轴的次数，过零率在一定程度上反映信号的频率信息，表达式为：
[0017][0018]式中，sgn[]是符号函数；
[0019]由于声音在10
‑
30ms的时间段内是短时平稳的，所以常用的短时分析方法中取10
‑
30ms作为帧长，进行数据处理所采用的每帧信号长度为25ms，帧移为10ms；
[0020]步骤4、结果与分析：测试信号时域和频域特征：为了获得鱼群噪声特性，对全时段的数据每隔5分钟提取一次，每段数据长度为6326400，每段样本时长约为300s；
[0021]鱼群对事件的响应特征：人工投料时段，在石斑鱼网箱投料点，此时鱼群比较活跃，发出的噪声强度高于背景噪声；
[0022]采用自动投料机进行大范围投料，鱼群由于争抢食物，活跃度最高，发出声能量最强，远高于背景噪声，通过对相应时段的信号以音频方式进行回放，听到的声音类型主要是拍打声、咕噜声、咯咯声和咀嚼声；
[0023]平台波浪能持续发电，同时伴随着小型渔船经过，由于受外界干扰的激励，此时段的噪声能量相对于海洋背景噪声能量也相对较强，可见鱼群的活跃度会受到电机发电和小型渔船背景噪声的影响而提高；
[0024]其他时段，特别是黑夜，鱼群活跃度较低，仅存在鱼群零星游动产生的游泳噪声和表面波浪噪声，将水听器采集的信号转换为音频信号进行播放，可以听到半夜大部分时刻的声音主要是拍打声及沙沙的自然环境噪声；
[0025]人工投料时刻时频特征分析：在石斑鱼网箱内进行人工投料，选取该时刻的声信号进行时频分析，得到该时段的短时谱和功率谱，为得到石斑鱼群摄食发声阶段的特征随时间的变化规律，对其发声的噪声频段进行带通滤波，滤波器带宽为200
‑
1000Hz，求解其短时能量和短时过零率，可见，石斑鱼群发声时段的信号其短时能量高于其它时段，峰值能量约8
×
10
‑4，短时过零率较其它时刻变化相对平稳；
[0026]自动投料机投料时段时频特征分析：在两网箱之间进行自动投料机大规模投料，选取该时刻的声信号进行时频分析，得到该时刻的时频图，此时段存在鱼群声信号的混叠，由于自动投料机大规模投料，整个网箱鱼群运动剧烈，鱼群的活跃度最高，2000
‑
5000Hz为鱼群相互撞击拍打水花的频带，相对于人工投料时的能量较高，播放此时段的音频信号，可以听到嘶嘶和咯吱的摩擦声以及鱼群吞食伴随水体表面气泡破裂产生的声音；为了区分鱼群在自动大规模投料时混叠的两种频段的鱼群信号，利用频带宽度为600
‑
2000Hz的带通滤波器对时域信号进行滤波，提取出现金鲳鱼噪声的时段，并计算其短时能量和短时过零率；利用频带宽度为200
‑
7000Hz的带通滤波器对时域信号进行滤波，提取出现叫姑鱼发声的时段，并计算其短时能量和短时过零率；分别求解金鲳鱼和叫姑鱼短时能量和过零率的概率
统计分布，观察不同鱼群的短时特征差异；
[0027]半夜时段时频特征分析：半夜时分，鱼群的活跃度低，发声的噪声频段也很低，在2000
‑
4000Hz间仅存在鱼群零星游动拍打水花的辐射噪声，声压级峰值约90dB；
[0028]不同鱼群发声特征的对比：综合上述内容，将三种鱼类发声及短时特征进行对比，可见，三种鱼群的发声机制不同，其短时能量和短时过零率的特征也有所不同，叫姑鱼发声信号的短时能量和短时过零率的概率峰值都最大，这是因为叫姑鱼是依靠发声肌压缩带动腹膜来实现振动发声的，主要为脉冲串形式且存在高次谐波，其次是金鲳鱼，通过尾部和鱼鳍摩擦拍打发声，产生较为宽频的信号形式；石斑鱼通过捕食、咀磨和吞咽食物发出声音，频率相对较低，短时能量和短时过零率的概率峰值都最小。
[0029]进一步的，步骤1中所述的布放水听器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于大型网箱养殖鱼群声信号特征的统计特性分析方法，其特征在于：所述统计特性分析方法如下所示：步骤1、数据采集：基于大型半潜式养殖平台，布放水听器；步骤2、测试布局：为了更清楚地分析测试过程鱼群噪声受外界激励的影响，跟踪记录数据采集过程中可能影响噪声信号的事件；步骤3、对数据进行分析：利用短时分析技术，研究网箱内不同鱼群噪声信号的特性，短时能量描述了每帧声音信号的能量大小，其变化趋势与声音信号的波形一致，能够很好的反映声音的时域信息；设时域信号未x，加汉宁窗处理分帧得到第n帧信号为x
n
(m)，则x
n
(m)满足下式：x
n
(m)＝w(m)x(n+m) 0≤m≤N
‑
10≤m≤N
‑1ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中所采用的汉宁窗的窗函数表达式为：式中，n＝0,1T,2T,...,NT为帧长，设第n帧声信号x
n
(m)的短时能量用E
n
表示，则计算公式如下：短时过零率指每帧内信号通过零轴的次数，过零率在一定程度上反映信号的频率信息，表达式为：式中，sgn[]是符号函数；由于声音在10
‑
30ms的时间段内是短时平稳的，所以常用的短时分析方法中取10
‑
30ms作为帧长，进行数据处理所采用的每帧信号长度为25ms，帧移为10ms；步骤4、结果与分析：测试信号时域和频域特征：为了获得鱼群噪声特性，对全时段的数据每隔5分钟提取一次，每段数据长度为6326400，每段样本时长约为300s；鱼群对事件的响应特征：人工投料时段，在石斑鱼网箱投料点，此时鱼群比较活跃，发出的噪声强度高于背景噪声；采用自动投料机进行大范围投料，鱼群由于争抢食物，活跃度最高，发出声能量最强，远高于背景噪声，通过对相应时段的信号以音频方式进行回放，听到的声音类型主要是拍打声、咕噜声、咯咯声和咀嚼声；平台波浪能持续发电，同时伴随着小型渔船经过，由于受外界干扰的激励，此时段的噪声能量相对于海洋背景噪声能量也相对较强，可见鱼群的活跃度会受到电机发电和小型渔船背景噪声的影响而提高；其他时段，特别是黑夜，鱼群活跃度较低，仅存在鱼群零星游动产生的游泳噪声和表面波浪噪声，将水听器采集的信号转换为音频信号进行播放，可以听到半夜大部分时刻的声音主要是拍打声及沙沙的自然环境噪声；人工投料时刻时频特征分析：在石斑鱼网箱内进行人工投料，选取该时刻的声信号进行时频分析，得到该时段的短时谱和功率谱，为得到石斑鱼群摄食发声阶段的特征随时间的变化规律，对其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培珍，刘欢，沈晨，周光波，王雨菡，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：发明
国别省市：