一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法及系统

1.本发明涉及声信号采集处理技术领域，尤其涉及一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法及系统。


背景技术：

2.由于水环境污染，捕捞，水上交通等因素的影响，很多水生哺乳动物的生存都在面临着极大的威胁，部分水生哺乳动物已经处在灭绝的边缘。海洋中生存有很多的国家级保护野生动物，例如中华白海豚等，对这些海洋动物进行监测获取的数据，可以用于制定对这些海洋动物的保护对策。很多水生哺乳动物如鲸鱼、海豚、江豚等利用声音进行种群个体之间的交流、探测周围环境、发现猎物等。相对可见光来说，声波在水中的传播损失要小得多，因此声学手段可以作为水生哺乳动物一种很好的监测手段。声学系统按照搭载类型划分，分为两大类:浮标数据采集系统和舰载采集系统。浮标采集系统独自工作在海上，可以避免工作海域范围内的船只的噪声影响，但是由于观测范围小，对数量和时间要求大，无法追踪式监测；舰载采集系统是舰船上搭载数据采集系统进行数据采集工作，此类系统可以方便地控制系统并能够实时准确地获取数据采集信息，设备出现故障时也可以得到迅速维修，并且系统工作时间不受能源限制，但是由于系统工作在舰船上，舰船的噪声会影响数据采集的准确程度。
3.由于中华白海豚数量稀少并且活动范围大，主动巡航搜寻的识别成功率更高，但是采取人工干预的传统方法，如从支援船上部署的水听器，支援船辐射噪声会污染声学测量，在500赫兹以下的频带，舰载水听器采集的声音往往是由船舶噪音主导的。由于风波相互作用和生物效应，环境噪声频谱具有强烈的各向异性，相对于自然环境的噪声水平有显著升高。其中为了避免机械噪声对声学设备的录音功能造成干扰，通常要用长达80米、甚至100米的绳索拖曳声呐仪。该方式操作难度较大，且仪器安全性无法保证。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法及系统，通过用无人艇主动拖曳监测系统动态采集白海豚音频信息，并利用神经网络算法对生物音频信息进行处理，提高了对海洋生物的监测效率及准确度。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法及系统，所述方法包括：
6.获取海洋声源音频数据、声源位置信息以及声源距离信息，其中，海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到；
7.根据频谱特征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据；
8.调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果。
9.实施本实施例，通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到海洋声源音频数据后，根据频谱特征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据，调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据识别结果得到对应的声源位置信息和声源距离信息，以使调查人员根据识别结果、声源位置信息以及声源距离信息对白海豚进行监测。
10.在第一方面的一种可能的实现方式中，海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到，具体为：
11.通过水听器接收到海洋声信号后，通过水听器滤波电路筛选掉不满足预设条件的海洋声信号，得到第一海洋声信号，并对第一海洋声信号进行转换，得到第一海洋电信号，其中，水听器通过拉力隔离系统固定；
12.将第一海洋电信号通过电缆传输至主控制器，得到海洋声源音频数据。
13.在第一方面的一种可能的实现方式中，获取声源位置信息，具体为：
14.利用多个分布式的采集节点测量目标声源到不同节点的水声信号之间的时间差；
15.根据时间差计算出音频的位置信息。
16.在第一方面的一种可能的实现方式中，获取声源距离信息，具体为：
17.通过利用运行检测模型进行检测，得到无人艇运行方向和无人艇运动位置；
18.根据水听器声压等级、所述无人艇运行方向和所述无人艇运动位置计算得到声源距离信息。
19.在第一方面的一种可能的实现方式中，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，具体为：
20.对生物音频数据进行fft分析，将生物音频数据转到频域，得到生物音频数据的频域信息；
21.对生物音频数据的频域信息进行功率频谱分析，得到各个频段的能量信息。
22.本发明实施例的第二方面提供了一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测系统，所述系统包括：
23.获取模块，用于获取海洋声源音频数据、声源位置信息以及声源距离信息，其中，海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到；
24.特征提取模块，用于根据频谱特征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据；
25.识别模块，用于调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果。
26.在第二方面的一种可能的实现方式中，获取模块包括转换单元和传输单元，其中，转换单元用于通过水听器接收到海洋声信号后，通过水听器滤波电路筛选掉不满足预设条件的海洋声信号，得到第一海洋声信号，并对第一海洋声信号进行转换，得到第一海洋电信号，其中，水听器通过拉力隔离系统固定；
27.传输单元用于将第一海洋电信号通过电缆传输至主控制器，得到海洋声源音频数据。
28.在第二方面的一种可能的实现方式中，获取模块包括时间差获取单元和计算单元，
29.时间差获取单元用于利用多个分布式的采集节点测量目标声源到不同节点的水声信号之间的时间差；
30.计算单元用于根据时间差计算出音频的位置信息。
31.为了解决相同的技术问题，本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如本发明实施例所示的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法。
32.为了解决相同的技术问题，本发明实施例的第四方面提供了一种可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行程序，计算机可执行程序用于使计算机执行如本发明实施例所示的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的步骤。
附图说明
33.图1为本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的一种实施例的流程示意图；
34.图2为本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的一种实施例的监测系统结构示意图；
35.图3为本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的一种实施例的监测模拟示意图；
36.图4为本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的一种实施例的音频识别流程示意图；
37.图5为本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的一种实施例的能量分析流程示意图；
38.图6为本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的另一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
39.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作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。
40.实施例一
41.请参照图1，图1是本发明提供的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的一种实施例的流程示意图，包括步骤s11～s13。各步骤具体如下：
42.s11、获取海洋声源音频数据、声源位置信息以及声源距离信息，其中，海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到。
43.在优选的实施例当中，海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到，具体为：
44.通过水听器接收到海洋声信号后，通过水听器滤波电路筛选掉不满足预设条件的
海洋声信号，得到第一海洋声信号，并对第一海洋声信号进行转换，得到第一海洋电信号，其中，水听器通过拉力隔离系统固定；
45.将第一海洋电信号通过电缆传输至主控制器，得到海洋声源音频数据。
46.在本实施例中，水面无人艇“海洋探测一号”是集智能控制、无线通讯、自主避碰、融合算法为一体的多学科的综合技术载体，它具有续航能力强、机动性高、隐身性强、可执行危险作业能力高等特点。水面无人艇根据任务需求，会搭载较多的附属设备，能够稳定的控制无人艇以及对艇上的多种设备能够实现实时监控和检测。白海豚实时监测系统包括实时通信模块、定位模块、运动检测模块、主控模块、实时时钟、通信接口、存储器和水听器模块，系统结构如图2所示。其中，实时时钟具体是rtc时钟芯片pcf85063a，精度为200ns；通信接口具体是rs232接口，与无人艇系统通信；定位模块具体是接收北斗/gps卫星定位信号，实现对当前声学监测位置的解算；实时通信模块是通过卫星与岸边观测系统通信，信息为监测到的经纬度坐标、utc时间、声音事件分类的结果、数据包序号。
47.铱星模块采用9602型号，通过rs232接口与外界通信，单次发送数据量最大340b。主控器输出为ttl电平，因此采用max232e芯片连接主控制器和9602模块，进行ttl到rs232电平的转换。单次发送的数据包含经纬度坐标、utc时间、声音事件分类的结果、数据包序号。使用at信号指令集查询信号强度满足要求后，将数据包发送并读取发送状态，成功发送则清空缓存，发送失败则进行重发。
48.在拖曳水听器模块中，水下拖曳传感器阵列包含3个水听器，接收频率范围在10-20k hz，声信号的直接在水听器内部转换为电信号，以二进制数据流的方式，作为用户数据报(udp)的负载部分，通过网络电缆传输至主控制器。
49.在实际应用中，阵列部署深度一般为10米，但是阵列部署深度越深能最大限度地减少了声学传感器对海面搅动噪声的暴露，并减少了任何可能从水面辐射到阵列的噪声的影响，假设这些声源通过球形传播辐射声音，安装在接头和传感器之间的10米拖缆可使传感器处的声压级降低超过40db每1m(20log10r)。此外，将声学接收器水听器置于更深的位置通常会使它们更接近最小声速速度，从而减少接收器和声源之间的传输损失。平台通过细直径(9毫米)拖缆连接到水听器，如前所述，拖缆长度为10米。拖缆横截面必须很薄，以减少阻力，但也必须容纳足够的导体，以支持以太网通信和水听器的电力。由于系统运动和洋流引起的涡旋，在牵引电缆中激发的非常低频(《10hz)流诱导振动会耦合到水听器响应中，掩盖感兴趣的声学信号，或者在极端情况下，导致水听器响应中断，如果振动诱导的预放大器输出电压超过其线性动态范围。因此为了避免上述问题，本方案重新设计前端信号调理单元，包括一个具有30hz角频率的高通滤波器)，以充分抑制电缆基波及其低阶谐波占主导地位的非常低频的响应。在水听器滤波电路中额外引入固定频率的rc电路滤波，同时智能水听器内部一般有可选频率的滤波模块。
50.运动压力和静水压力可能会导致电压响应中剧烈的振幅偏移，甚至是导致数字化声学数据丢失等。因此在无人艇拖曳索的模块中，除电缆外还安装了一个拉力隔离系统，防止电缆完全伸展，并在拖曳后迅速牵动水下系统，拉力隔离系统的实施例可以具体是一个线缆，上有用螺丝固定的刚夹,刚夹内放置水听器，水听器之间连接的是水密性保证的电缆线，从而使电缆线不受拖曳力；并在线缆尾部带有三片叶片的尾翼，尾翼主要为自控式水翼。
51.在优选的实施例当中，获取声源位置信息，具体为：
52.利用多个分布式的采集节点测量目标声源到不同节点的水声信号之间的时间差；
53.根据时间差计算出音频的位置信息。
54.在优选的实施例当中，获取声源距离信息，具体为：
55.通过利用运行检测模型进行检测，得到无人艇运行方向和无人艇运动位置；
56.根据水听器声压等级、无人艇运行方向和无人艇运动位置计算得到声源距离信息。
57.在本实施例中，声源位置信息主要为通过目标定位方法获得，目标定位方法为得到运动方向后和速度后进行声源距离估计得到方位，运动方向和速度可在运动检测模块中得出，该模块具体可为六轴传感器，额外的也可通过通信接口从无人艇中得到方向，速度信息。
58.目标定位方法包括声源定位算法，水下目标定位采用的基于到达时延的目标定位方法(time difference of arrival,tdoa)。这种方法是利用多个分布式的采集节点来测量从目标到不同节点的水声信号之间的时间差，然后根据测得的时间差来估计目标位置。声源距离估计是在主控模块中完成，根据水听器传回的声压等级，主控单元估算声源直线距离。
59.s12、根据频谱特征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据。
60.在优选的实施例当中，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，具体为：
61.对生物音频数据进行fft分析，将生物音频数据转到频域，得到生物音频数据的频域信息；
62.对生物音频数据的频域信息进行功率频谱分析，得到各个频段的能量信息。
63.在本实施例中，如图3所示，首先从水听器阵采集到的音频流中获取包含生物声音、背景噪声的音频数据帧，进行分类标记。在将采集到的音频流输入主控制模块时，由于水听器阵列在以较高采样率进行数据采集时，产生的数据量较大，无法通过铱星模块进行完整的发送，同时数据也存在损坏的可能，因此需要双备份处理。一级备份存储为热存储，从主控制器的pcie总线转换的nvme协议，连接固态硬盘进行存储。二级备份存储为冷备份存储，从主控制器的sd卡控制部分直接引出接口，连接大容量sd卡进行存储。当主控制器通过网络接口接收到水听器阵列发送的udp数据包时，会在主控制器内存进行缓存，达到一定数量时，按照时间顺序写入一级备份存储。一级缓存由于频繁读写和作业气候的因素，可能造成掉盘和数据丢失，因此系统在水听器阵列的非采样工作间隔，将一级存储的增量数据复写到二级存储，保证数据的一致性。
64.然后主控模块根据频谱特性，将音频数据帧中的背景噪音与生物声音分类，得到生物、背景声音数据集。其次使用能量检测算法对生物声音进行检测、使用人工神经网络算法(bp算法)对生物声音进行分类识别。具体方法如图4和图5所示，图4为对生物音频数据进行识别示意图，图5为对生物音频数据进行能量分析示意图，使用fft把时域音频信号转到频域，然后功率谱分析把各频段能量显示，将海豚声音特征在频域中变现出来。
65.作为本实施例的一种举例，该主控模块为高性能mcu，具体是树莓派cm4。
66.s13、调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据识别结果得到对应的声源位置信息和声源距离信息，以使调查人员根据识别结果、声源位置信息以及声源距离信息对白海豚进行监测。
67.在优选的实施例当中，利用人工神经网络算法对所述白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据识别结果得到对应的声源位置信息和声源距离信息，从而根据识别结果、声源位置信息以及声源距离信息对白海豚进行监测。
68.实施例二
69.相应地，参见图6，图6为本发明提供的一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测系统，如图所示，该基于无人艇拖曳方式的白海豚监测系统包括：
70.获取模块601，用于获取海洋声源音频数据、声源位置信息以及声源距离信息，其中，海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到；
71.特征提取模块602，用于根据频谱特征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据；
72.识别模块603，用于调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据识别结果得到对应的声源位置信息和声源距离信息，以使调查人员根据识别结果、声源位置信息以及声源距离信息对白海豚进行监测。
73.在优选的实施例当中，获取模块601包括转换单元6011和传输单元6012，
74.其中，转换单元6011用于通过水听器接收到海洋声信号后，通过水听器滤波电路筛选掉不满足预设条件的海洋声信号，得到第一海洋声信号，并对第一海洋声信号进行转换，得到第一海洋电信号，其中，水听器通过拉力隔离系统固定；
75.传输单元6012用于将第一海洋电信号通过电缆传输至主控制器，得到海洋声源音频数据。
76.在优选的实施例当中，获取模块601包括时间差获取单元6013和计算单元6014，
77.时间差获取单元6013用于利用多个分布式的采集节点测量目标声源到不同节点的水声信号之间的时间差；
78.计算单元6014用于根据时间差计算出音频的位置信息。
79.在优选的实施例当中，特征提取模块602还用于对生物音频数据进行fft分析，将生物音频数据转到频域，得到生物音频数据的频域信息；
80.对生物音频数据的频域信息进行功率频谱分析，得到各个频段的能量信息。
81.在优选的实施例当中，发明提供的一种终端设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如本发明实施例一所示的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法。
82.作为优选方案，本发明提供的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行程序，计算机可执行程序用于使计算机执行如本发明实施例一所示的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的步骤。
83.综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：
84.通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到海洋声源音频数据后，根据频谱特
征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据，调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据识别结果得到对应的声源位置信息和声源距离信息，以使调查人员根据识别结果、声源位置信息以及声源距离信息对白海豚进行监测。
85.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法，其特征在于，包括：获取海洋声源音频数据、声源位置信息以及声源距离信息，其中，所述海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到；根据频谱特征对所述海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对所述生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到所述生物音频数据中的频段能量信息，并对所述频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据；调用人工神经网络算法对所述白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据所述识别结果得到对应的所述声源位置信息和所述声源距离信息，以使调查人员根据所述识别结果、所述声源位置信息以及所述声源距离信息对白海豚进行监测。2.如权利要求1所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法，其特征在于，所述海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到，具体为：通过水听器接收到海洋声信号后，通过水听器滤波电路筛选掉不满足预设条件的海洋声信号，得到第一海洋声信号，并对所述第一海洋声信号进行转换，得到第一海洋电信号，其中，所述水听器通过拉力隔离系统固定；将所述第一海洋电信号通过电缆传输至主控制器，得到海洋声源音频数据。3.如权利要求1所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法，其特征在于，所述获取声源位置信息，具体为：利用多个分布式的采集节点测量目标声源到不同节点的水声信号之间的时间差；根据所述时间差计算出所述音频的位置信息。4.如权利要求1所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法，其特征在于，所述获取声源距离信息，具体为：通过利用运行检测模型进行检测，得到无人艇运行方向和无人艇运动位置；根据水听器声压等级、所述无人艇运行方向和所述无人艇运动位置计算得到声源距离信息。5.如权利要求1所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法，其特征在于，所述对所述生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到所述生物音频数据中的频段能量信息，具体为：对所述生物音频数据进行fft分析，将所述生物音频数据转到频域，得到所述生物音频数据的频域信息；对所述生物音频数据的频域信息进行功率频谱分析，得到各个频段的能量信息。6.一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取海洋声源音频数据、声源位置信息以及声源距离信息，其中，所述海洋声源音频数据通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到；特征提取模块，用于根据频谱特征对所述海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对所述生物音频数据进行fft和功率谱分析后，得到所述生物音频数据中的频段能量信息，并对所述频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据；识别模块，用于调用人工神经网络算法对所述白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据所述识别结果得到对应的所述声源位置信息和所述声源距离信息，以使调查人员
根据所述识别结果、所述声源位置信息以及所述声源距离信息对白海豚进行监测。7.如权利要求6所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测系统，其特征在于，所述获取模块包括转换单元和传输单元，其中，所述转换单元用于通过水听器接收到海洋声信号后，通过水听器滤波电路筛选掉不满足预设条件的海洋声信号，得到第一海洋声信号，并对所述第一海洋声信号进行转换，得到第一海洋电信号，其中，所述水听器通过拉力隔离系统固定；所述传输单元用于将所述第一海洋电信号通过电缆传输至主控制器，得到海洋声源音频数据。8.如权利要求6所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测系统，其特征在于，所述获取模块包括时间差获取单元和计算单元，所述时间差获取单元用于利用多个分布式的采集节点测量目标声源到不同节点的水声信号之间的时间差；所述计算单元用于根据所述时间差计算出所述音频的位置信息。9.一种终端设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于无人艇拖曳方式的白海豚监测方法及系统，通过拖曳水听器模块对海洋声源进行采集得到海洋声源音频数据后，根据频谱特征对海洋声源音频数据进行分类，得到生物音频数据和噪声音频数据，对生物音频数据进行FFT和功率谱分析后，得到生物音频数据中的频段能量信息，并对频段能量信息进行白海豚音频特征提取，得到白海豚音频数据，调用人工神经网络算法对白海豚音频数据进行识别，得到识别结果，根据识别结果得到对应的声源位置信息和声源距离信息，以使调查人员根据识别结果、声源位置信息以及声源距离信息对白海豚进行监测。行监测。行监测。


技术研发人员：董贵信 李湛伟 董超 陈焱琨 简天浩 李康荣 刘思健 杨萃 李杰 张鹏
受保护的技术使用者：国家海洋局南海调查技术中心（国家海洋局南海浮标中心） 华南理工大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/11