1、本科毕业论文（20 届）基于 Matlab 的鱼类声信号时频特性分析所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II目 录摘要 .IAbstract .II引 言 .11 鱼类声信号 .22 信号处理基础 .42.1 傅里叶变换 .42.2 信号的采样 .42.3 频率混叠 .52.4 加窗与窗函数 .63 信号分析方法介绍 .73.1 时域分析 .73.2 频域分析 .83.2.1 离散傅里叶变换 .83.2.2 快速傅里叶变换 .93.3 时频分析 .93.3.1 时频分析的基本概念 .103.3.2 几种典型的时频方法的介绍 .114 基于 Matla
2、b 的鱼类声信号分析 .144.1 Matlab 分析鱼类声信号声学特征的方法 .144.2 海豚声信号分析 .144.2.1 时域分析 .144.2.2 频谱分析 .154.2.3 时频分析 .16结论 .18参考文献 .19附录 .20致谢 .40III摘要鱼类发声与其生命活动密切相关，有其特定的生物学意义。通过对鱼类声信号的分析，有助于人们更好地了解鱼类的栖息、繁殖和其他各种生活习性，有助于我国海洋资源的开发和鱼类资源的调查与保护。由于近些年来声学技术的快速发展，可以看到，越来越多的研究领域都在应用声学技术解决科研难题。人们也开始尝试将其运用到鱼类上。本文试图用 Matlab 对采集到的
3、几种鱼类声信号进行简单的时频分析。文中介绍了几种基本的鱼类发声方式及其发声原理，并对目前鱼类声信号的研究概况做了简要介绍。我们较为详细地介绍了信号处理的基本原理以及时域和频域分析方法，并在此基础上介绍了三种典型的处理非平稳信号的时频分析方法：短时傅里叶变换（STFT） ，wigner-ville 变换（WED）和小波变换法，并对各自特点作了分析。Matlab 是一种功能强大的工程计算及数值分析软件，在这里，我们利用信号处理工具箱中的函数对鱼类声信号的时频特征进行分析。分析结果表明：时频方法是一种分析鱼类声信号的可行方法。关键词：鱼类声信号；傅里叶变换;频谱分析；时域分析；时频分析IVIIAna
4、lysis of time-frequency characteristics of fish acoustic signals based on matlabAbstractSound production of fish is closely related with its life activities,having specific biological significance.Through analysis of fish acoustic signals,we could have a better understanding of habitat,breeding and
5、other kinds of living habits of fish,which is helpful to the exploitation,investigation and reservation of our marine resources.Due to the rapid development of acoustic technology ,we could have seen that acoustic technology is being widely used to solve research problems in many fields.And so peopl
6、e begin to try to use acoustic on fish research.This paper try to use Matlab to do a simple time-frequency analysis on several fish acoustic signals.This paper introduces several ways and principles of fish making sound,and have a brief review of current research of fish acoustic signals.We introduc
7、e the basic principles of signals processing and the analysis of time domain and frequency domain in more detail.Based on these ,we also introduce three typical ways in dealing with non-stationary signals: short time Fourier transform(STFT),vigner-ville transform(WED)and wavelet transform,and we hav
8、e a brief analysis of their characteristics.Matlab is a powerful engineering calculations and numerical analysis software.Here,we use functions in Matlab signal processing toolbox to have analysis on the time-frequency characteristics of fish acoustic signals.The results show that:it is feasible way
9、 of time-frequency methods to have an analysis of fish acoustic signals.Key words fish coustic signals;spectrum analysis;time domain analysis;time-frequency analysis1引 言目前，声学技术已经在各个研究领域得到了广泛的应用，近些年也被应用于海洋哺乳动物的监测，如应用声学技术研究海狮，灰鲸的觅食和繁殖习性。但是，就目前而言，对小型鱼类声信号的研究还比较少，特别是在发声方式，以及鱼类信号的特征提取上还没有做深入的研究。这主要是 1）发生
10、信号十分微弱，常被淹没在噪音中，而且还夹杂着其他鱼类的声音；2）鱼类声信号是非平稳信号，发声变化十分剧烈，并在频谱上有很大的混叠；3）不同地区的同种鱼类发声不同，同种鱼类不同年龄，不同时间的发声也会有不同。因此，由于以上原因，想要得到一个好的鱼类分类算法非常困难 1。近年来，国外对鱼类声信号的研究主要集中在 1：1）通过开展大规模海上实验，采集鱼群所发的声信号，以此获得产卵鱼群的时空分布以及产卵量，为渔业生产提供相关的信息；2）研究发声鱼类在某种特定行为下的升学特征及发声机理。国内对鱼类声信号的研究还十分少，仅仅是对几种典型的石首鱼科发声鱼类进行升学特征的研究。如大黄鱼也属于石首鱼科，主要分布
11、在中国南海、东海和黄海南部，是我国主要的经济鱼种。中国海洋大学的研究员就对大黄鱼在不同行为下的声信号进行了分析比较，以此了解大黄鱼发生的声学特性以及其行为之间的联系。鱼类声信号是典型的非平稳信号.由于鱼类声信号往往十分微弱，所以信噪比较高，容易淹没在噪声中。传统的傅里叶变换是在整体上将信号分解成不同的频率分量。所以，傅里叶变换只适用于组成频率分量不随时间变化的平稳信号，分析结果也只是得出一个信号是由多少正弦波组成，而缺乏局域性信息，即它不能告诉我们频率分量发声哪些特定的时间内。因而不能用傅里叶变换处理像鱼类声信号这样的非平稳信号。时频分析能描述鱼类声信号的频谱在时间上的变化，它所建立的分布能在
12、时间和频率上同时表示声信号的能量或强度 6。Malab 是一种功能强大的工程计算和数值分析软件，其中的信号处理工具箱函数能对鱼类声信号进行简单而有效地时频分析。21 鱼类声信号水里的鱼类没有像鸟兽那样的发声器官声带，但鱼类可以通过呼吸、摩擦及发声肌肉震动鱼鳔等方式发出简单的声音。将其概括起来主要有一下四种发声方式：呼吸发声：这是一种简单的发声，它是鱼类呼吸时空气通过狭处而产生的一种声音，这在淡水鱼类种比较常见。如鲤鱼在从水中被捞出时，鳔内的气体通过鳔管而发出呼吸声或低微模糊地声音。摩擦发声：这是鱼体的一些骨骼部位以及鳍棘、齿、舌颌骨及鳃盖等身体的坚硬部位相互摩擦而发出的声音。摩擦发声主要发生在
13、鱼类进食的时候，颌部位的牙齿相互摩擦而发出声响；还有在受到惊吓时，身体部位的摩擦也常发出声响。其频率主要集中在 100-8000Hz 之间，主频能量分布在 1000-4000Hz 之间。这种发声种类较多。如，以鳍棘摩擦发声而著名黄颡鱼，可发出嘎呀、轧呀、大鼓等声音。又如翻车鱼，能通过上下咽喉齿摩擦而发出粗糙的声音。鳔及其附属肌肉的震动发声：这是发声复杂的鱼类的发声方式，是绝大多数鱼类的发声方式。在这类发声方式中，尤以石首鱼最为著名，该科种的多数可发声，且发出的声音较大，又是站在甲板上也可以听得到。在紧靠或近石首鱼鱼鳔处有收缩速度极快的发声肌，它们引起鱼鳔以很快的速度进行收缩和扩张，从而引起震动
14、发声。大部分震动声音由短脉冲组成。它们的基频在 45-60Hz 之间到 250-300Hz 之间，高频谐波出现在 1000Hz 以上。如图 1.1 为鱼类的鱼鳔，图上还标有发声肌。水动力发声：水动力发声常发声在鱼快速转向或改变速度时。这些声音的频率不存在谐波且频率相当低，处于次声波频段。虽然并不包含种群交流的信息，但对捕食者和被捕食者来说十分重要。鲨鱼就可以侦测出这些鱼群发出的次声波，由此确定鱼群的位置。图 1.1 鱼类的鱼鳔Figure1.1 Fishes swim bladder3鱼类发出的声音是多种多样的，像电鲇能发出舌和上颌齿的摩擦声；箱鲀能发出类似狗叫的叫声，海马单调的打鼓声，并且雌
15、雄都能发声，在繁殖时声音较大；石首鱼能发出碾轧声、打鼓声、蜂雀飞翔声；而鲂鮄鱼类不但能发声，而且声音还时有变化，有时像猪叫，有时像呻吟声，有时像鼾声等。一般认为，鱼类的发声是用来实现种内和种间的信息传递，包括识别同类的呼叫声，生殖时的集声，寻找食物的试探声，以及为躲避敌害而发出的惊恐声和报警声等。所以，鱼类的发声与其生命动紧密相关，有其特定的生物学意义 。研究表明，50-1000Hz 频率范围内的鱼类声信号对鱼类的防卫、引诱异性、水污染指标、觅食方面有重大的意义。如研究当水体受污染时鲑鱼科发出咳嗽声，且咳嗽声的发声次数和水体的污染程度成正比。所以，可以利用这种现象监测水体污染状。42 信号处理
16、基础2.1 傅里叶变换信号 x(t)的傅立叶变换(FT，时域到频域)表示为:（2-1）dtfjtxfX)2ep()( 傅立叶反变换(IFT，从频域到时域)表示为:（2-2）dtfjfXt )2exp()(21(傅里叶变换的频域表示及其能量频域分布揭示了信号在频域的特征，因此在传统的信号处理中傅里叶变换有着举足轻重的作用。但是由公式（2-1）和（2-2）可以看出，傅里叶变换和逆变换的时间区间都是 ，即在本质上),(是全局变换的，只在整体上将信号分解为不同的频率分量，而且不能讲时域和频域两者有机的结合起来分析信号的特征。所以，傅里叶变换在频域的定位是完全准确的（及频域的分辨率高） ，而在时域内无任
17、何定位（无分辨率） 。图 2 一 1 中图(a)和图（b）分别是在时间域和频率域表示的一个合成信号。图(a)没有信号的频率信息，图(b)中无法得到该信号特定频率的对应时间值。所以傅立叶变换存在无法联系时间频率信息的缺陷，利用该方法分析非平稳信号不够完善。图 2.152.2 信号的采样采样是将一个信号（即时间或空间上连续的函数）转换成一个数值序列（即时间或空间上的离散函数） 。采样定理，即采样过程所应遵循的规律，说明了采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。采样定理的表述很多，但最基本的表述方式是时域采样定理和频域采样定理。时域采样定理 频带为 F 的连续信号 可用一系列离散的
18、采样值)(tf来表示，要求采样点的时间间隔 ，变可根)2(),(),11tftft Ft21据各个采样值完全恢复原来的信号 。还可以用另一种方式表述采样定理：)(tf当时间信号函数 的最高频率分量为 时， 的值可以由一系列采样间隔)(tf M)(tf时间 的采样值来确定，即采样点的重复频率 15。图 2-2 为Mt21 Mf2模拟信号和采样信号的示意图。频域采样定理 对于时间上受限制的连续信号 ，若其频谱为 ，则)(tf )(F可在频域上用一系列离散的采样值来表示。所以，频域采样定理反映了连续谱和离散谱的关系。图 2.22.3 频率混叠如果采样皮率不能够满足采样定理，那么采样后频率就会发生重叠，即高于采样频率一般的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号。这种频谱的重叠导致的失真称为混叠，重建出来的信号与原信号具有同样的样本值，称为原信号混叠替身。一个频率正好是采样频率一半的弦波信号，一般会混叠正另一相同频率的弦波信号，不过它的相位和幅度改变了。可根据以下两种措施避免混叠的发生：
