一种海洋哺乳动物水下发声分布式在线监测系统的制作方法

本发明属于声信号采集处理领域，具体地涉及一种海洋哺乳动物水下发声分布式在线监测系统。

背景技术：

对海洋哺乳动物进行监测是增进人类对动物了解的重要手段，是研究环境如何影响动物的必要过程，对于濒危动物保护和生态文明建设有重要意义。对海洋哺乳动物监测通常使用光学方法和声学方法。

光学方法利用光线获取目标动物的水面或水下影像特征或行为信息。水面信息获取利用动物露出水面的短暂窗口期进行间断性的监测，方式包括人工目测、人工使用相机和无人机摄录等，这些方式都容易受天气影响而只能实现短时间监测。由于水中光波衰减快视距很小，需要人工追踪摄录影像资料而不能长时间监测，且受天气的影响。

海洋哺乳动物通过发出声音进行个体间的交流、觅食、探测，因此可以通过检测动物发出的声信号监测动物。一种方式是在调查动物期间，由调查船上布放水听器入水，记录动物的发声，该方式也受天气影响。另一种方式是在潜标上布放自容式水听器实现长期测量，回收后分析观测数据，不能实现实时在线的监测。近年来，出现一些海洋哺乳动物在线声学监测系统。这些系统通过水听器接收声信号，通过在线解算实现对哺乳动物的监测。这些系统使用单个水听器接收声信号，接收距离较近，并且只能监测周围是否出现某个声音，不能对声音的来源进行定位，这些都限制了我们对海洋哺乳动物的有效观测。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种海洋哺乳动物水下发声分布式在线监测系统。所述系统能够在线远距离实现对动物水下发声的实时在线监测。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种海洋哺乳动物水下发声分布式在线监测系统，所述系统由分布式布放的声学监测节点和岸上终端组成；

所述声学监测节点由水听器、声信号采集模块、实时处理识别模块、同步定位模块和实时通信模块构成；声学监测节点分布式布放于水中，水听器将声信号转换为电信号；声信号采集模块将水听器电信号转换为数据信号；

实时处理识别模块集成了动物发声识别模型，实时处理识别模块首先对采集的信号进行处理，剔除平台、航船以及环境噪声干扰以降低误报，处理后的数据信号进入动物发声识别模型，动物发声识别模型将实时识别出是哪一种动物在发出声信号，并记录信号检测到的时间；

同步定位模块接收北斗/gps卫星定位信号，实现对声学监测节点位置的解算，并且实现自身时钟同步，同步精度为200ns；

实时通信模块通过卫星、无线电或者手机网络把识别结果、动物发声的数据信息、节点位置和系统工作信息发送至岸上终端；

所述的岸上终端接收各声学监测节点的信息，达到各声学监测节点协同工作的效果，运用到达时间差定位等阵列信号技术实现对发声哺乳动物的定位；岸上终端同时提供监测数据存储和展示等功能。

进一步，所述的同步定位模块包括卫星接收模块、mcu单元、锁相环和采集模块；卫星接收模块接收到北斗/gps信号，生成pps脉冲和数字生成时钟，其中pps脉冲发送给mcu单元作为工作参考刻度，数字生成时钟经过锁相环产生稳定的采集时钟，采集时钟输出给采集模块，采集模块工作时会将数据通过采集数据总线发送给mcu单元，同时还会在每个采样点产生采样反馈脉冲给mcu单元，用于采集过程中采样刻度的记录，同时数据处理会依据采样反馈脉冲生成的实际时刻，经过以上链路，系统能够保证同步精度和卫星接收模块的精度一致。

进一步，声信号采集模块的采样率至少设置在待分析信号最高频率的两倍及以上。

本发明与现有技术相比的有益效果：

传统的同步阵列通常是在一个系统上处理的，通过统一时钟信号源来保证数据同步性，这种方法的存在的技术问题：

1、系统的使用必须在同一个地方；

2、有时要达到预期效果，系统会做的很庞大；

3、由于功耗和数据量较大，很难实现长期工作；

4、工作场景和工作方式基本上在设计阶段就固定了。

本发明的有益效果：

1、通过分布式布放，多个节点可以协同工作，布放可以按照实际要求灵活实施，扩大了哺乳动物监测的范围，使得更大范围内的哺乳动物监测成为可能。传分布式节点之间通过北斗/gps卫星信号严格同步，可以使用阵列信号处理方法实现对发声哺乳动物的定位。

2、节点复杂度低，可以做的很小巧；成本，功耗相对会更有优势，单一节点数据量会更少，可以使用太阳能电池实现全年实时工作；可以使用互联网后台对所有节点同一管理，无论添加和删除节点都非常方便，可以方便变换工作场景和方式。

3、以往的原子钟同步方式和直接北斗/gps的pps直接对齐的方式存在不足，如原子钟具有很好的短期时间稳定性(如在1个小时内时间刻度很准)，而缺少长期时间稳定性；直接pps是每秒一个，这就缺少短期稳定性。北斗/gps和原子钟的组合无论成本、功耗还是复杂性都是没有优势的。本发明同步模块充分利用了现有北斗/gps模块的成本优势，使用普通锁相环将无法直接使用的数字时钟变为可做采集参考的采集时钟。整个同步系统复杂度、功耗和成本低，可以达到长时间连续工作的目的。

附图说明

图1是实时在线监测系统功能示意图；

图2为声学监测节点布放在浮标8上的情况示意；

图3为岸基终端1根据各个声学监测节点1检测到哺乳动物发声时间差所计算得到哺乳动物位置，为图中五角星所示；

图4为同步定位模块同步框架；

图5为采集信号的同步结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种海洋哺乳动物水下发声分布式在线监测系统，所述系统由分布式布放的声学监测节点和岸上终端组成；

所述声学监测节点由水听器、声信号采集模块、实时处理识别模块、同步定位模块和实时通信模块构成；声学监测节点分布式布放于水中，水听器将声信号转换为电信号；水听器的主要参数为频率响应范围和灵敏度。频率响应范围需要根据实际观测哺乳动物发声的频段来确定，如果是要观测海洋哺乳动物的click信号，需要选择高频水听器。如果只是观测鲸鱼等的低频信号，那么低频水听器即可满足要求。灵敏度需要保证收到的哺乳动物声信号不限幅，同时对于微弱信号有足够的响应电压，目前一般选择在-180db～-160db之间。

声信号采集模块将水听器电信号转换为数据信号；采样率至少设置在待分析信号最高频率的两倍及以上。

实时处理识别模块集成了动物发声识别模型，实时处理识别模块对采集的信号进行处理，剔除平台、航船以及环境噪声干扰以降低误报，处理后的数据信号进入动物发声识别模型，动物发声识别模型将实时识别出是哪一种动物在发出声信号，并记录信号检测到的时间；

同步定位模块接收北斗/gps卫星定位信号，实现对声学监测节点位置的解算，并且利用模块的输出信号实现自身采集时钟和数据处理同步，同步精度为200ns；同步定位模块包括卫星接收模块、mcu单元、锁相环和采集模块；卫星接收模块接收到北斗/gps信号，生成pps脉冲和数字生成时钟，其中pps脉冲发送给mcu单元作为工作参考刻度，数字生成时钟经过锁相环产生稳定的采集时钟，采集时钟输出给采集模块，采集模块工作时会将数据通过采集数据总线发送给mcu单元，同时还会在每个采样点产生采样反馈脉冲给mcu单元，用于采集过程中采样刻度的记录，同时数据处理会依据采样反馈脉冲生成的实际时刻，经过以上链路，系统能够保证同步精度和卫星接收模块的精度一致。

实时通信模块通过卫星、无线电或者手机网络把实时处理识别模块和同步定位模块的识别结果、动物发声的数据信息(包括时频图和信号接收时间等)、节点位置和系统工作信息发送至岸上终端；

岸上终端接收各声学监测节点的信息，包括各声学监测节点工作状态信息和检测到的哺乳动物发声等信息。基于哺乳动物发声等信息，岸上终端运用到达时间差定位等阵列信号技术实现对发声哺乳动物的定位。岸上终端同时提供哺乳动物发声数据存储、统计和展示等功能。

本发明实际工作方式示例见图1。

图1中的声学监测节点1承担了实际哺乳动物水下发声采集和处理的任务，利用卫星时间空间定位和时间同步，同时将相关信息发送给岸基终端2。水听器3将声音信号转换为电信号，同时由声信号采集模块4转化为数字信号。同步定位模块6利用北斗/gps信号实现对自身位置的解算和时间的严格同步。实时处理识别模块5为系统的核心模块，该模块综合各类信息，实现对哺乳动物声音的识别，同时记录检测到这个信号的精确时间。实时通讯模块7将实时处理识别模块5处理得到信息发送到岸上终端2。岸上终端2综合运用时间差定位等阵列信号技术实现对发声哺乳动物的定位，同时对哺乳动物监测信息进行统计分析和显示。

图2为声学监测节点布放在浮标8上的情况示意。3个声学监测节点接收到海洋哺乳动物9的发声，声学监测节点检测到后通过卫星发送到岸上终端2上。

图3所示为岸基终端1根据各个声学监测节点1检测到哺乳动物发声时间差所计算得到哺乳动物位置，为图中五角星所示。

图4所示为同步定位模块6同步框架具体实现。卫星接收模块1接收到北斗/gps信号，生成6pps脉冲和7数字生成时钟，其中6pps脉冲发送给3mcu单元作为工作参考刻度，7数字生成时钟经过2锁相环产生稳定的时钟8采集时钟，输出给4采集模块，4采集模块工作时将会将数据通过10采集数据总线发送给3mcu单元，同时还会在每个采样点产生9采样反馈脉冲给3mcu单元，用于采集过程中采样刻度的记录，3mcu是实时处理器，工作时具有稳定的数据延迟，同时数据处理会依据9采样反馈脉冲生成的实际时刻，经过以上链路，系统可以保证同步精度和1卫星接收模块的精度一致。

在实验室加入测试信号，采集信号的同步结果如图5所示，同步差异在110ns以内，达到了设计要求。以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。