Page 60 - 《应用声学》2022年第3期
P. 60

382                                                                                  2022 年 5 月


                                                               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。



                              8
                                                               6  1
                                                   φ114      5 ͜ܦ٨0 2     ႃ᡹̲

                           ૅܦቔ԰                                4  3


                                  φ30               Ր༠ಘ䱥ࡇ
                                (a) ͜ਖ٨ፇ౞ڏ               (b) ͜ܦ٨࣋᫼வर          (c) ͜ਖ٨ႃߕ̲ፇ౞ڏ
                                              图 1  圆形阵列无线传感器结构示意图
                                          Fig. 1 Circular array wireless sensor structure
   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65