Page 60 - 《应用声学》2022年第3期
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测分段后再进行无线数据传输。常见的端点检测算
0 引言
法有基于时间参数平均值的决策参数，例如自相关
系数、过零率或短期能量，这些方法虽然简单，但效
鸟类是一种对生态环境和全球气候变化极为
果并不理想，一般只适用于高信噪比情况，且在复杂
敏感的指示性生物，其数量变化及多样性等特征直
背景噪声低信噪比情况下难以获得理想结果，稳健
接反映栖息地的生态系统平衡程度，是一个良好的
性差 [14−15] 。本文提出了一种子带能量谱熵比的动
环境质量评价指标 [1−2] 。鸟类通过鸣叫声进行通
态双门限信号端点检测算法，对仿真数据和海岛野
讯、求偶等，鸟鸣声包含着丰富的生物学信息，在不
外实验数据进行验证和分析，算法在复杂环境条件
同属或种间鸣声特征具有差异性，是鸟类物种识别
下依然能有效检测鸟鸣声信号端点。
的重要依据 [3−5] 。对栖息地内的鸟类鸣声进行长期
监测可以了解鸟类种群变化及迁徙规律，是监管保
1 圆形阵列无线传感器系统
护鸟类的重要举措 [6−8] 。随着自然生态环境保护的
不断加强，栖息地中重要鸟类迁徙的远程在线监测 1.1 传感器阵列设计
问题变得日益重要，特别是对珍稀濒危鸟类种群的 鸟类鸣声传感器阵列设计采用 “6+1” 的七元
保护及生态系统监测都具有重要意义。 全向传声器作为基本阵列，阵型设计为圆形。其
在海岛及滨海湿地等特殊环境的自然保护区， 中 6 个传声器阵元均匀等角度地分布在圆形板上
鸟类的监测仍以传统的人工监测为主，通过架设望 形成半径为 r 的圆环，另一个传声器阵元布置在圆
远镜、红外相机等进行视觉观察，人工携带录音设 心用作信号参考，相邻阵元间距 d = 2r sin(π/M)，
备进行声音采集，但这种传统方法观察范围小且效 其中 M 表示阵元数，则阵元 m 的空间位置表示为
率较低，同时会对鸟类活动造成干扰。此外，当前的
r m = (r cos(φ m ), r sin(φ m ), 0)，φ m = (m−1)2π/M
鸣声采集装置在潮湿环境下无法长时间工作，在低 表示阵元 m 的圆心角。传声器阵元采用半波长布
信噪比环境下拾声效果差，而且数据难以实时回传， 阵，国内大部分海岛鸟鸣声频谱在 1 kHz ∼ 6 kHz
达不到在线监测需求，适用性差。而基于阵列方法 之间，按照6 kHz 的半波长进行布阵，声音在空气中
的非入侵式声学远程系统为鸟类活动生态监测提 传播速度为340 m/s，则波长为
供了可行性，能在生态敏感区如自然保护区或难以
λ = c/f = 340 (m/s)/(6000 Hz) = 0.057 m, (1)
进入的区域如大型芦苇栖息地进行长期的在线监
测 [9−13] 。 半波长λ/2 = 2.8 cm，即布阵阵元间距d = 2.8 cm。
为获得自然指向性的鸟鸣声增强信号，基于物 七元传声器阵列的阵元间距设计为 30 mm，适
联网开发了圆形阵列传感器系统。但在实际应用中， 当增大阵元间距有利于提升阵列的空间波束形成
由于栖息地供电设施、网络等条件限制，为保障系 性能，且几乎不会产生空间混叠现象。圆形阵列安
统在野外长期稳定运行，针对鸟类一般在某些时间 装在球形刚性金属结构内，如图 1(b) 所示。七元阵
段内比较活跃，其他时间段只有少量鸟鸣声的情况， 列接收信号通过采用波束形成处理能够抑制环境
为了提升系统的可靠性、减轻数据传输负担及不必 噪声增强鸣声信号，改善海岛野外复杂噪声下的鸟
要的电能消耗，需要对有效鸣声数据段进行自动检 鸣声信号接收性能。
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图 1 圆形阵列无线传感器结构示意图
Fig. 1 Circular array wireless sensor structure
