[發明專利]基于仿生聽覺系統中耳蝸模型的海豚哨聲信號聽覺特征提取方法

在審

• 申請號: 201710793362.4
• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN107527625A
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 孫金濤;生雪莉;郭龍祥;殷敬偉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G10L25/18
• 分類號: G10L25/18;G10L25/03;G10L25/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種信號模式識別方法，具體地說是水下生物信號模式識別方法。

背景技術

水聲信號識別主要包括特征提取和分類器設計兩部分。特征提取的任務是選取表征目標身份的有效且穩定可靠的特征，是信號識別的關鍵部分之一，它直接影響著水聲信號識別的最終結果。海豚生活的水下世界視距受限，通過長期演進，海豚進化了優異的聲吶系統。通過聲吶系統，海豚可以完成種群中的個體識別、捕食，躲避天敵等行為。在海豚聲吶中，海豚的哨聲信號承擔著個體交流通信的任務，哨聲信號的分類識別也成為海豚研究的關鍵環節之一。

目前，對于海豚哨聲信號的特征提取方法主要基于時頻域。包括時域的波形結構特征提取方法，頻域的譜估計方法和時頻域利用各種信號變換技術提取信號特征。傳統的特征提取方法經過長久以來的發掘，取得了良好的效果。時域波形的主要特征是方法簡單，實時性好。但水下信號時域波形結構復雜，難以提取具有高分類信息的波形結構特征。頻域分析特征的特點是技術成熟，方法簡單，而且譜信息包含了明確的物理概念，但適合處理線性、平穩信號。時頻分析方法提取的特征更能反映信號的時域和頻域特征，但時頻分析較為復雜，計算量、存儲量大，計算速度慢，實時性差。在實際的水聲環境下，受不同水文條件的影響，傳統的時頻特征提取往往不能取得理想的效果。

發明內容

本發明的目的在于提供能夠解決現有技術中運算量大，無法快速提取特征，對非線性信號、非平穩信號處理效果不理想，對背景噪聲的高依賴性，應用局限性等問題的基于仿生聽覺系統中耳蝸模型的海豚哨聲信號聽覺特征提取方法。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明基于仿生聽覺系統中耳蝸模型的海豚哨聲信號聽覺特征提取方法，其特征是：

(1)對海豚叫聲進行采樣，得到實錄信號s(n)，對實錄信號s(n)進行歸一化預處理：

(2)將步驟(1)得到的信號通過Gammatone聽覺濾波器組，得到M個子帶信號，M為濾波器個數，對各子帶信號進行快速FFT變換；

Gammatone濾波器的沖激響應為：

式中：a表示gammatone濾波器的幅度因子，n表示gammatone濾波器的階數，f_c表示gammatone濾波器的中心頻率，表示gammatone濾波器的初始相位，2πbERB(f_c)表示阻尼因子，u(t)表示單位階躍函數；

ERB表示等效矩形帶寬，其表達式為：ERB(f_c)＝24.7+0.108f_c；

對gammatone濾波器沖激響應函數做拉普拉斯變換如下：

其中，A為濾波器增益，n為濾波器階數，f_c為中心頻率，為相位，b＝2πERB(f_c),w＝2πf_c；

(3)對步驟(2)子帶信號做快速傅里葉變換，通過低通濾波器，并生成聽覺譜；

(4)對步驟(2)濾波后的信號通過Meddis內毛細胞模型進行半波整流，生成模擬人耳感知的聽覺譜，對聽覺譜各個通道頻帶能量進行計算，形成含有聽覺特征的特征向量；

(5)對各聽覺譜各個通道頻帶能量進行計算，形成含有聽覺特征的特征向量：

本發明還可以包括：

1、Meddis模型包含五個物理量：細胞膜滲透性、內耳毛細胞中神經遞質的量、毛細胞間隙神經遞質的量、再生庫中神經遞質的量、激發概率：

(1)細胞膜滲透性：

反映神經遞質從內毛細胞中向毛細胞間隙傳輸能力的滲透性通過如下方式描述：

k(t)是細胞膜滲透性，stim(t)是輸入聲波的瞬時幅度，A,B,g是細胞參數，k(t)＝A/(A+B)g表示細胞膜的自發響應；

(2)內耳毛細胞中神經遞質的量：

內耳毛細胞中神經遞質的量q(t)隨時間變化率可用下式表示：

其中，y(1-q(t)))是制造廠補充到毛細胞神經遞質的量，xw(t)是通過再生庫流回毛細胞神經遞質的量，-k(t)q(t)從毛細胞內流到細胞間隙神經遞質的量；

(3)細胞外部神經遞質的量：

細胞外部神經遞質的量c(t)隨時間變化用下式描述：