申请/专利权人：青岛科技大学

申请日：2024-04-19

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN118098248B

主分类号：G10L17/26

分类号：G10L17/26;G10L17/04;G10L17/18

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2024.06.14#实质审查的生效;2024.05.28#公开

摘要：本发明涉及海洋哺乳动物声学识别技术领域，具体为基于仿真海洋水声信道的海洋哺乳动物叫声数据增强方法。该方法首先设计仿真海洋水声信道，在仿真海洋水声信道中构建bellhop水声信道模型、Rayleigh衰减模型和多普勒频移，并加入高斯白噪声，模拟海洋中复杂的声波传输过程，从而生成新的海洋哺乳动物叫声数据。将经过仿真信道处理的叫声数据加入现有数据集，能够显著提高基于神经网络的叫声分类准确率。本发明不仅解决了海洋哺乳动物叫声数据集数量少、收集困难的问题，而且在降低收集成本的同时，为海洋哺乳动物叫声的准确识别与分类提供了有效手段。

主权项：1.基于仿真海洋水声信道的海洋哺乳动物叫声数据增强方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将海洋哺乳动物原始叫声通过AdobeAudition软件进行去噪，并设计基础仿真海洋水声信道；S2：在设计的基础仿真海洋水声信道中加入bellhop信道模型；S3：在设计的基础仿真海洋水声信道中加入Rayleigh衰减模型；S4：在设计的基础仿真海洋水声信道中应用多普勒频移效应；S5：在设计的基础仿真海洋水声信道中加入高斯白噪声；S6：利用卷积的方式将去噪的海洋哺乳动物叫声以模拟音频信号的方式，通过仿真海洋水声信道进行传输；S7：将新生成的音频加入到数据集中，带入海洋哺乳动物叫声分类神经网络进行训练；所述S2步骤具体为：S2.1：从声源处开始射线追踪，设定声源位置是，射线的初始方向通过声源的方向参数来确定，其传播路径参数方程为： ；其中，为声源即海洋哺乳动物叫声的空间坐标，表示在水平平面上的位置和深度；t为射线传播的距离，表示沿射线方向的传播距离；为射线水平方向角度，表示射线的初始方向与水平轴的夹角；为射线的垂直方向角度，表示射线的初始方向与垂直轴的夹角；S2.2：声源射线会在水下界面反射时，反射角和入射角之间满足反射定律；其数学表达式为： ；当射线与水下界面发生折射时，反射角和入射角之间满足折射定律； ；其中，为入射角，表示射线与水下界面的夹角；为反射角，表示射线反射后与水下界面的夹角；和为相邻介质的声速，在反射和折射计算中，用于计算反射和折射的角度；S2.3：基于散射体的特性和分布，计算Rayleigh散射；计算公式为： ；其中，为散射体的特征尺寸，为波长；S2.4：仿真海洋水声信道总传播损失包含逐距离传播损失和频率依赖的吸收；逐距离传播损失计算公式为： ；其中，为逐距离传播损失，表示声波在传播过程中随着传播距离r的增加而产生的损失；r为传播距离，表示声波从声源传播到接收器的距离；为传播损失系数；频率依赖的吸收系数计算公式为： ；其中，为频率依赖的吸收系数，表示声波在不同频率下的吸收程度；为水的基本吸收系数，表示水对声波的吸收特性；为频率依赖的系数，用于描述吸收与频率平方的关系；为声波频率的平方；总传播损失计算公式为： ；其中，为总传播损失，综合考虑逐距离传播损失和频率依赖的吸收；为逐距离传播损失部分；为频率依赖的吸收部分；所述S3步骤具体为：在仿真海洋水声信道加入Rayleigh衰减模型，首先进行瑞利分布建模，数学表达式为： ；其中，为Rayleigh衰减传播损失；为信道的相关频率，与瑞利分布中的参数有关；为声波的频率；为声波传播的距离；为介质的吸收系数；所述S4步骤具体为：在仿真海洋水声信道加入多普勒频移模型，数学表达式为： ；其中，表示随时间t变化的延迟的复信道响应；表示具有特定时间延迟的脉冲响应；为路径数，表示多径传播中的不同路径；为路径的振幅，由高斯随机变量控制；为路径的相位；为路径的多普勒频移；多普勒频移信道中的瑞利分布表达式为： ；其中，为信道的相关频率；X和Y为独立分布的标准高斯随机变量；为路径的多普勒频移角度；所述S5步骤具体为：仿真海洋水声信道内含信噪比为5dB的高斯白噪声；所述高斯白噪声的数学表达式为： ；其中，SNR是信噪比，以分贝为单位；和是独立同分布的标准高斯随机变量。

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