[發(fā)明專利]一種基于鯨豚類低頻水聲信號的實時在線識別分類系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010180238.2
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111414832B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設計）人: 王志陶;王克雄;王丁;段鵬翔
• 申請（專利權）人: 中國科學院水生生物研究所
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06F17/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 許蓮英

1.一種基于鯨豚類低頻水聲信號的實時在線識別分類方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：將水聲數(shù)字信號通過降脈沖干擾權重函數(shù)進行降噪得到降噪后水聲數(shù)字信號，通過信號聲譜圖轉(zhuǎn)換得到水聲三維時頻域信號，通過頻率維度迭代降噪、時間維度迭代降噪得到降噪后水聲時頻域信號，通過聲譜圖閾值過濾得到過濾后的水聲時頻域信號，通過基頻輪廓構建、基頻抗混疊處理、諧波信號提取實現(xiàn)獨立頻譜提取，得到經(jīng)抗混疊處理后三維水聲時頻域信號的基頻以及基頻所對應的諧波信號；

步驟2：三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻通過參數(shù)提取得到對應的頻率參數(shù)、定量參數(shù)、時間參數(shù)、三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)，進一步結合時頻域模型通過信號分類得到經(jīng)抗混疊處理的三維水聲時頻域信號基頻的聲譜類型；

步驟3：通過第一參數(shù)獲取方式、第二參數(shù)獲取方式、第三參數(shù)獲取方式構建鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集，根據(jù)鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集分別構建基頻的頻率參數(shù)分布范圍、基頻的定量參數(shù)分布范圍、基頻的時間參數(shù)分布范圍、基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)分布范圍，結合三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻的頻率參數(shù)、定量參數(shù)、時間參數(shù)、三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)、聲譜類型，識別目標鯨豚類型；

步驟3所述第一參數(shù)獲取方式為：通過文獻檢索已經(jīng)發(fā)表的文獻資料中獲得第一鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集，定義為：

RSig_1,x,y,z

x∈[1,K],y∈[1,6],z∈[1,4]

其中，RSig_1,x,y,z為第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第z種基頻參數(shù)，K為鯨豚類型的數(shù)量，y∈[1,6]表示基頻聲譜類型依次為平滑型、下掃型、上掃型、U-型、凸型、弦型，z∈[1,4]表示基頻參數(shù)類型依次為基頻的頻率參數(shù)、基頻的定量參數(shù)、基頻的時間參數(shù)、基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)；

RSig_1,x,y,1＝(RSig_1,x,y,1,1,RSig_1,x,y,1,2,...,RSig_1,x,y,1,9)

其中，(RSig_1,x,y,1,1,RSig_1,x,y,1,2,...,RSig_1,x,y,1,9)依次表示第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第1種基頻的頻率參數(shù)中開始頻率、信號在0.25持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.5持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.75持續(xù)時間點的基頻頻率、結束頻率、最小頻率、最大頻率、頻率變動范圍、平均頻率；

RSig_1,x,y,2＝(RSig_1,x,y,2,1,RSig_1,x,y,2,2,...,RSig_1,x,y,2,5)

其中，(RSig_1,x,y,2,1,RSig_1,x,y,2,2,...,RSig_1,x,y,2,5)依次表示第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第2種基頻的定量參數(shù)中頻譜基頻的開始掃向、結束掃向、聲譜圖基頻的拐點數(shù)、聲譜圖基頻的斷裂點數(shù)、聲譜圖基頻的梯級結構數(shù)；

RSig_1,x,y,3＝RSig_1,x,y,3,1

其中，RSig_1,x,y,3,1表示第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第3種基頻的時間參數(shù)中基頻的持續(xù)時間；

RSig_1,x,y,4＝(RSig_1,x,y,4,1,RSig_1,x,y,4,2)

其中，(RSig_1,x,y,4,1,RSig_1,x,y,4,2)依次表示第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第4種基頻的基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)中最大諧波數(shù)、最大諧波頻率；

步驟3所述第二參數(shù)獲取方式為：從可供開放獲取的鯨類聲音庫中獲得多個聲信號的原始音頻文件，多個原始音頻文件信號參照步驟1提取原始音頻文件信號基頻以及基頻對應的諧波信號，并參照步驟2獲得原始音頻文件信號基頻的頻率參數(shù)、定量參數(shù)、時間參數(shù)、原始音頻文件信號基頻對應的諧波信號的諧波參數(shù)、原始音頻文件信號聲譜類型，構建第二鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集，定義為：

RSig_2,x,y,z

x∈[1,K],y∈[1,6],z∈[1,4]

其中，RSig_2,x,y,z為第二參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第z種基頻參數(shù)，K為鯨豚類型的數(shù)量，y∈[1,6]表示基頻聲譜類型依次為平滑型、下掃型、上掃型、U-型、凸型、弦型，z∈[1,4]表示基頻參數(shù)類型依次為基頻的頻率參數(shù)、基頻的定量參數(shù)、基頻的時間參數(shù)、基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)；

RSig_2,x,y,1＝(RSig_2,x,y,1,1,RSig_2,x,y,1,2,...,RSig_2,x,y,1,9)

其中，(RSig_2,x,y,1,1,RSig_2,x,y,1,2,...,RSig_2,x,y,1,9)依次表示第二參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第1種基頻的頻率參數(shù)中開始頻率、信號在0.25持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.5持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.75持續(xù)時間點的基頻頻率、結束頻率、最小頻率、最大頻率、頻率變動范圍、平均頻率；

RSig_2,x,y,2＝(RSig_2,x,y,2,1,RSig_2,x,y,2,2,...,RSig_2,x,y,2,5)

其中，(RSig_2,x,y,2,1,RSig_2,x,y,2,2,...,RSig_2,x,y,2,5)依次表示第二參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第2種基頻的定量參數(shù)中頻譜基頻的開始掃向、結束掃向、聲譜圖基頻的拐點數(shù)、聲譜圖基頻的斷裂點數(shù)、聲譜圖基頻的梯級結構數(shù)；

RSig_2,x,y,3＝RSig_2,x,y,3,1

其中RSig_2,x,y,3,1表示第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第3種基頻的時間參數(shù)中基頻的持續(xù)時間；

RSig_2,x,y,4＝(RSig_2,x,y,4,1,RSig_2,x,y,4,2)

其中，(RSig_2,x,y,4,1,RSig_2,x,y,4,2)依次表示第二參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第4種基頻的基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)中最大諧波數(shù)、最大諧波頻率；

步驟3所述第三參數(shù)獲取方式為：通過現(xiàn)場錄音方式獲得音頻信號，參照步驟1提取音頻信號基頻以及基頻對應的諧波信號，并參照步驟2獲得音頻信號基頻的頻率參數(shù)、定量參數(shù)、時間參數(shù)、音頻信號基頻對應的諧波信號的諧波參數(shù)音頻信號聲譜類型，構建第三鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集，定義為：

RSig_3,x,y,z

x∈[1,K],y∈[1,6],z∈[1,4]

其中，RSig_3,x,y,z為第三參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第z種基頻參數(shù)，K為鯨豚類型的數(shù)量，y∈[1,6]表示基頻聲譜類型依次為平滑型、下掃型、上掃型、U-型、凸型、弦型，z∈[1,4]表示基頻參數(shù)類型依次為基頻的頻率參數(shù)、基頻的定量參數(shù)、基頻的時間參數(shù)、基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)；

RSig_3,x,y,1＝(RSig_3,x,y,1,1,RSig_3,x,y,1,2,...,RSig_3,x,y,1,9)

其中，(RSig_3,x,y,1,1,RSig_3,x,y,1,2,...,RSig_3,x,y,1,9)依次表示第三參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第1種基頻的頻率參數(shù)中開始頻率、信號在0.25持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.5持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.75持續(xù)時間點的基頻頻率、結束頻率、最小頻率、最大頻率、頻率變動范圍、平均頻率；

RSig_3,x,y,2＝(RSig_3,x,y,2,1,RSig_3,x,y,2,2,...,RSig_3,x,y,2,5)

其中，(RSig_3,x,y,2,1,RSig_3,x,y,2,2,...,RSig_3,x,y,2,5)依次表示第三參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第2種基頻的定量參數(shù)中頻譜基頻的開始掃向、結束掃向、聲譜圖基頻的拐點數(shù)、聲譜圖基頻的斷裂點數(shù)、聲譜圖基頻的梯級結構數(shù)；

RSig_3,x,y,3＝RSig_3,x,y,3,1

其中RSig_3,x,y,3,1表示第一參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第3種基頻的時間參數(shù)中基頻的持續(xù)時間；

RSig_3,x,y,4＝(RSig_3,x,y,4,1,RSig_3,x,y,4,2)

其中，(RSig_3,x,y,4,1,RSig_3,x,y,4,2)依次表示第三參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第4種基頻的基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)中最大諧波數(shù)、最大諧波頻率；

步驟3所述鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集為：

RSig_ID,x,y,z

ID∈[1,3],x∈[1,K],y∈[1,6],z∈[1,4]

其中，RSig_ID,x,y,z為第ID參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型第z種基頻參數(shù)，K為鯨豚類型的數(shù)量，y∈[1,6]表示基頻聲譜類型依次為平滑型、下掃型、上掃型、U-型、凸型、弦型，z∈[1,4]表示基頻參數(shù)類型依次為基頻的頻率參數(shù)、基頻的定量參數(shù)、基頻的時間參數(shù)、基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)，

步驟3所述鯨豚類型比對數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計分布參數(shù)為：

Srsig_ID,x,y,z,p

ID∈[1,3],x∈[1,K],y∈[1,6],z∈[1,4],p∈[1,4]

其中，Srsig_ID,x,y,z,p為第ID參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型第z種基頻參數(shù)的第p種統(tǒng)計變量的結果，K為鯨豚類型的數(shù)量，y∈[1,6]表示基頻聲譜類型依次為平滑型、下掃型、上掃型、U-型、凸型、弦型，z∈[1,4]表示基頻參數(shù)類型依次為基頻的頻率參數(shù)、基頻的定量參數(shù)、基頻的時間參數(shù)、基頻所對應的諧波信號的諧波參數(shù)，p∈[1,4]表示統(tǒng)計分布參數(shù)依次為平均值(mean)、方差(SD)、中位數(shù)(media)和四分位間距(QD)；

Srsig_ID,x,y,z,p＝(Srsig_ID,x,y,z,1,Srsig_ID,x,y,z,2,...,Srsig_ID,x,y,z,4)

其中，(Srsig_ID,x,y,z,1,Srsig_ID,x,y,z,2,...,Srsig_ID,x,y,z,4)依次表示第ID種參數(shù)獲取方式中第x種鯨豚類型下第y種聲譜類型的第z種基頻參數(shù)的平均值、方差、中位數(shù)和四分位間距；

對于任意一個含有數(shù)據(jù)總數(shù)為的數(shù)據(jù)集而言，其平均值方差中位數(shù)和四分位間距為：

其中.為將內(nèi)的所有信號按照由小到大的順序排列后，排序在50％位點上的信號值，為將內(nèi)的所有信號按照由小到大的順序排列后，排序在75％位點上的信號值，為將內(nèi)的所有信號按照由小到大的順序排列后，排序在25％位點上的信號值；

步驟3所述識別目標鯨豚類型，具體方法為：

若符合分布范圍判別模型即：

則判斷對應的鯨豚物種類型為x，即水聲數(shù)字信號的鯨豚物種類型監(jiān)測結果；

其中，Dresult_U,P(U∈[1,6],P∈[1,17])表示第U種基頻聲譜類型下第P種參數(shù)；

U∈[1,6]表示步驟2中所述三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻的聲譜類型依次為：平滑型、下掃型、上掃型、U-型、凸型、弦型；

其中，P∈[1,9]表示步驟2中所述三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻的頻率參數(shù)，依次為：開始頻率、信號在0.25持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.5持續(xù)時間點的基頻頻率、信號在0.75持續(xù)時間點的基頻頻率、結束頻率、最小頻率、最大頻率、頻率變動范圍、平均頻率；

P∈[10,14]表示步驟2中所述三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻的定量參數(shù)，依次為：開始掃向、結束掃向、聲譜圖基頻的拐點數(shù)、聲譜圖基頻的斷裂點數(shù)、聲譜圖基頻的梯級結構數(shù)；

P＝15表示步驟2中所述三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻的持續(xù)時間；P∈[16,17]表示步驟2中所述三維水聲時頻域信號經(jīng)抗混疊處理后的基頻的諧波信號的諧波參數(shù),依次為：最大諧波數(shù)、最大諧波頻率。