基于声信号处理的水产养殖生物行为监测研究

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近年来,我国水产养殖业的产值与规模发展迅速,养殖方式也日趋丰富,但其自动化和智能化水平还有待提高。研究表明,被动声学技术对水产养殖业有着重要的理论价值和工程应用价值。因此,本文以鲍鱼为例,在海洋生物发声、鲍鱼养殖等方面进行了大量的文献调研,采集并分析鲍鱼摄食期间的发声信号,对信号进行增强、识别工作,设计了基于声信号处理的水产生物行为监测系统。主要工作如下:(1)介绍了水产生物行为监测系统的总体结构,根据鲍鱼生理习性和摄食特点设计了声音信号采集实验并搭建鲍鱼摄食声信号库,分析了鲍鱼摄食声及背景噪声、增氧机噪声的信号特点。(2)为了降低背景噪声和增氧机噪声的干扰、增强鲍鱼摄食声信号,本文对鲍鱼摄食声信号进行预处理和弱信号增强。首先,对鲍鱼摄食声信号进行预加重和分帧加窗处理;其次,构建参考纯净鲍鱼摄食信号和不同噪声水平的含噪鲍鱼摄食声信号,为下文提供数据基础;最后,分别对比了维纳滤波、谱减法以及基于小波去噪方法的去噪效果。结果表明,谱减法对不同信噪比的含噪鲍鱼摄食声信号均有最优的去噪效果。(3)实现了鲍鱼摄食状态的识别工作。首先,提取鲍鱼摄食声信号去噪前和去噪后的四种特征参数,包括短时能量、短时过零率、线性预测倒谱系数(LPCC)和梅尔倒谱系数(MFCC);其次,搭建深度置信网络(DBN),进行样本训练和摄食行为识别。实验结果表明,LPCC+MFCC双特征输入的DBN模型具有最优的识别性能。此外,由于谱减法拥有较好的去噪效果,因此显著提升了鲍鱼摄食声的识别率。(4)搭建了水产生物行为监测系统,实现对鲍鱼摄食声信号的采集、去噪、识别等工作。
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