Page 188 - 《应用声学》2023年第6期

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0 引言 1 鱼声散射信号特征

随着现代化海洋牧场建设的推进，鱼类资源的 不同鱼种的外部形态各异，即使外部形态相似，
时间和空间变化动态监测需求日益迫切 [1] 。基于声 其生理结构也会有所差别。为了解决鱼种的分类识
学的鱼种分类识别技术因其速度快、探测范围广等 别问题，本文尝试从鱼的频率响应特性和鱼声散射
优点，逐渐成为牧场鱼类资源监测与管理的重要手 信号的时频域信息中提取能较好表征鱼种间差异
段。该技术的核心在于声散射特征的提取及分析， 的声学参数。
其特征参数的选择直接影响识别的速度与准确性。 1.1 频率响应差异
因此，有必要对鱼声散射信号的特征提取及融合方
TS是反映目标反射声波强弱的物理量，鱼类的
法进行深入研究。
TS 是应用水声学方法对渔业资源评估的重要参数，
当发射的声波传播至目标处时，目标会将部分
影响鱼类 TS 的主要的因素是鱼鳔、体长、换能器频
入射声能转化为散射声能并向四周辐射，散射声波
率和姿态角。
的特性与目标的物理属性和结构形状有关 [2] 。鱼
鱼类TS一般定义为 [9]
的声散射特性是由鱼组织器官的声阻抗与水的声
阻抗存在差异所决定的。对于有鳔鱼种，影响声散 TS = 10 lg (σ bs ) , (1)
射的因素主要是鱼本身的种类、鱼鳔、体长以及形 式 (1) 中，σ bs 为鱼的后向散射截面 (即鱼体对入射
状 [3] 。另外，鱼在不同发射声波频率和入射角度设 声波产生散射的等效面积)，单位为 m 。在远场条
2
定下，其散射特性也不同。 件下，鱼的后向散射截面等于鱼鳔散射截面和鱼体
鱼声散射信号中含有大量鱼种固有属性信 散射截面的叠加。
息，一部分研究人员通过分析信号的时频域统计 实验中鱼探仪直接测量的是反射电压值，经标
特征实现鱼类识别。例如：许枫团队 [4−5] 将声散 准球校准的鱼体TS计算公式为
射信号的时域质心和 Walsh 谱作为鱼类识别特征
TS = 20 log (V f /V b ) − TS b , (2)
量，使用 BP 神经网络分类器实现了 3 种鱼的分类。
杜伟东等 [6] 将信号的小波包系数奇异值、时域质 式(2)中，V f 为鱼体的反射电压值，V b 为标准球的反
( 2 )
心和离散余弦变换系数特征进行融合，支持向量 射电压值，TS b 为标准球的 TS，TS b = 10 lg r /4 ，
机 (Support vector machine，SVM) 分类准确率达 r 为标准球的半径，r = 11.5 × 10 −3 m。
92%。Brundage 等 [7] 则通过分析信号的归一化频 频率响应特性是指系统信号的振幅和相位受
率响应谱实现了底层鱼类的识别。另一部分研究 频率变化而变化的特性，同种鱼在行为和生理学特
人员将接收到的多频声数据进行处理，依据频响 征上具有相似性，频率响应特性能一定程度上反映
差异判别鱼种类。例如：Sunardi 等 [8] 通过归纳 该种鱼的固有属性，文中用不同频率下鱼的 TS 差
38 kHz 和 120 kHz 声呐接收信号的目标强度 (Tar- 值∆TS表征鱼的频率响应差异。
get strength, TS)，从底层鱼类中识别出牛眼凹肩鯵 ∆TS = TS f2 − TS f1 , (3)
(Selar boops)和鲢(Hypophthalmichthys molitrix)。
式 (3) 中，TS f1 和 TS f2 分别为 f1、f2 频率下鱼的
海洋中大多数鱼类喜欢群居，鱼群主要是由同
TS。
种类的鱼组成。受水深和换能器开角影响，声呐难
以保证同时探测到整个鱼群的声散射信号，所接收 1.2 时频特征
到的大多是单条鱼和多条鱼重叠的声散射信号。因 时域质心是一种描述信号在时间上集中程度
此，本文将研究重点放在不同种类间个体鱼声散射 的指标，可以反映鱼声散射信号在时间轴上的能量
特征差异上，通过建立鱼声散射特征数据库，达到对 分布特性。时域质心的计算公式为 [4]
目标鱼种声散射信号的分类识别目的。本文以近岸 ∫ T /(∫ T )
2
2
C = tx (t)dt x (t)dt , (4)
4 种经济鱼类为研究对象，通过绳系法实验研究了 0 0
鱼声散射信号的特征提取及融合方法，以期为实际 式 (4) 中，T 为信号长度，x(t) 为信号在 t 时刻的
渔业资源分类评估工作提供技术支撑。 幅值。