阅读说明：本技术 一种基于鸣声的鸟类定位系统及方法 (Bird positioning system and method based on sound ) 是由 汤云峰 郑红 祝捍皓 林建民 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于鸣声的鸟类定位系统及方法,包括用于获取声音的若干个定位基阵、将声音进行鸟类鸣声提取的鸣声提取装置、用于显示各鸟类鸣声波形的示波器、对各种鸟类鸣声波形进行区分的波形分析仪和计时器,定位基阵安装在鸟类聚集地,定位基阵与鸣声提取装置连接,鸣声提取装置与示波器连接,示波器与波形分析仪连接,计时器与定位基阵连接。本发明通过定位基阵,有效获取鸟类鸣声,通过定位基阵位置信息和鸟类鸣声到达声音传感器的时间间隔差值获取鸟类的位置信息,实现鸟类的实时定位,通过声音对鸟类进行定位,减小了光线和障碍物对鸟类定位的影响。(The invention discloses a bird positioning system and method based on sound, which comprises a plurality of positioning matrixes for acquiring sound, a sound extraction device for extracting the sound from the bird sound, an oscilloscope for displaying the wave form of each bird sound, a wave form analyzer for distinguishing the wave form of each bird sound and a timer, wherein the positioning matrixes are arranged in a bird gathering place, the positioning matrixes are connected with the sound extraction device, the sound extraction device is connected with the oscilloscope, the oscilloscope is connected with the wave form analyzer, and the timer is connected with the positioning matrixes. According to the bird positioning method, the bird singing is effectively acquired through the positioning array, the position information of the birds is acquired through the position information of the positioning array and the time interval difference value of the bird singing reaching the sound sensor, the real-time positioning of the birds is realized, the birds are positioned through sound, and the influence of light and obstacles on the bird positioning is reduced.)

一种基于鸣声的鸟类定位系统及方法

技术领域

本发明涉及鸟类定位技术领域，尤其涉及一种基于鸣声的鸟类定位系统及方法。

背景技术

在野外对鸟类进行监测的时候，尤其是在海岛及滨海湿地地区，鸟类的位置信息对于了解鸟类的飞行习惯、生活习性等等方面具有重要作用，并且有助于准确判定鸟类的种群。目前对于鸟类位置的定位技术基本都是基于光学定位，这类技术对于存在障碍物阻挡，或者夜晚、阴天等光线不好的情况时，无法准确有效的进行定位，受时间和气候的影响较大。

一种在中国专利文献上公开的“一种岸滩监测中的鸟类检测、识别与追踪方法及装置”，其公告号CN109033975A，其公开日2018年12月18日，包括接收岸滩全景观测系统中采集的视频图像，分解视频图像并按照预设时间间隔进行采样，得到采样岸滩图像；将岸滩图像进行HOG特征提取；预先接收大量岸滩样本图像，训练得到基于HOG特征的SVM分类器；采用该SVM分类器判断岸滩图像中是否存在鸟类；采用Mask-CNN算法对存在鸟类的岸滩图像进行细粒度图像处理，判断每只鸟的类别；采用MeanShift算法对识别的每只鸟进行鸟类追踪，并对每只鸟进行编号。通过图像识别和处理的方法实现对鸟的追踪与定位，但是依然没有解决在光线不好或者障碍物较多时无法准确定位的问题，依然存在在阴天或者夜晚无法进行鸟类识别和追踪定位的问题，无法实现鸟类的实时定位。

发明内容

本发明主要解决了现有的技术无法对鸟类进行实时定位的问题，提供了一种基于鸣声的鸟类定位系统及方法，识别不同鸟类的鸣声，通过不同鸟类的鸣声波形不同实现对鸟类的实时定位。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于鸣声的鸟类定位系统，包括用于获取声音的若干个定位基阵、将声音进行鸟类鸣声提取的鸣声提取装置、用于显示各鸟类鸣声波形的示波器、对各种鸟类鸣声波形进行区分的波形分析仪和计时器，所述定位基阵安装在鸟类聚集地，若干个所述定位基阵均与鸣声提取装置连接，所述鸣声提取装置与示波器连接，所述示波器与波形分析仪连接，所述计时器与定位基阵连接。通过定位基阵获取鸟类聚集地的声音信号，将获取的声音信号经鸣声提取装置进行鸟类鸣声提取，获取鸟类的鸣声波形，通过波形分析仪将不同种类的鸟类鸣声波形区分开来，通过计时器对每一种声音到达定位基阵的时刻进行计时，计时器采用原子钟进行计时，使鸟类鸣声到达时刻更加准确，将定位基阵安装时对每一定位基阵的位置进行记录，通过定位基阵的位置和计时器记录的鸟类鸣声到达时刻，实现鸟类的实时定位，防止了光线和气候对定位装置的影响。

作为优选，所述的定位基阵包括若干个声音传感器，所述若干个声音传感器分布安装在鸟类聚集地，所述声音传感器包括外壳、驻极体振动模、绝缘垫、金属极板、场效应管、二极管和声音信号转换电路，所述声音信号转换电路包括供电模块VCC、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3和晶体管VT1，所述驻极体振动模的一面与外壳内壁抵接，所述绝缘垫的一面与驻极体振动模的另一面抵接，所述绝缘垫的另一面与金属极板抵接，所述金属极板与场效应管的栅极连接，所述场效应管的栅极与二极管的阴极连接，所述二极管的阳极与场效应管的源极连接，所述场效应管的源极接地，所述场效应管的漏极分别与电阻R1的第一端、电阻R4的第一端、电容C1的第一端和电容C2的第一端连接，所述电阻R1的第二端分别与供电模块VCC、电阻R2的第一端和电阻R3的第一端连接，所述电阻R4的第二端接地，所述电容C1的第二端分别与电阻R2的第二端和晶体管VT1的基极连接，所述电容C2的第二端接地，所述电阻R3的第二端分别与电容C3的第一端和晶体管VT1的发射极连接，所述晶体管VT1的集电极和电容C3的第二端接地。通过声音传感器获取声音，驻极体振动模采用塑料薄膜，将塑料薄膜的一面蒸发上一层纯金薄膜，经高压电场驻极后，使塑料薄膜两面分别驻有异性电荷，将蒸金面与外壳连接，另一面经绝缘垫隔开后与金属极板连接，形成一个电容，声音传递到外壳时，使塑料薄膜振动，引起电容振动产生交变电压，经RC稳压滤波以及晶体管放大电路后，将声音信号转换成数字信号。

作为优选，还包括云服务器和无线通信模块，所述云服务器分别与波形分析仪以及计时器通过无线通信模块连接。云服务器将波形分析仪分析后的鸣声波形与计时器计时时刻对应，对需要定位的鸟类进行实时定位。

本发明还提供一种基于鸣声的鸟类定位方法，包括以下步骤：步骤s1：获取不同种类的鸟类鸣声波形，建立鸟类鸣声波形与鸟类对应的关系表；步骤s2：将若干个定位基阵安装在鸟类聚集地，记录每个定位基阵的位置信息,计时器记录每一种声音到达定位基阵的时间；步骤s3：通过鸣声提取装置将定位基阵获取外界声音进行鸟类鸣声波形提取；步骤s4：将提取的鸟类鸣声波形进行种类区分；步骤s5：根据区分后的鸟类鸣声波形，查找鸟类鸣声波形与鸟类对应的关系表，确定要定位的鸟类；步骤s6：根据定位基阵的位置信息和计时器，计算鸟类所处的位置步骤；s7：云服务器结合鸟类所处位置信息和要定位的鸟类确定要定位的鸟类位置信息。不同的鸟类对应不同的鸟类鸣声波形，根据波形分析仪分析出的波形，查找鸟类鸣声波形与鸟类对应的关系表，找到需要定位的鸟类鸣声波形，结合计时器，找到需要定位的鸟类鸣声到达定位基阵的时刻，根据定位基阵的位置，计算鸟类发出鸣声时的位置，实现鸟类实时定位追踪。

作为优选，所述的步骤s2中，每4个声音传感器组成一个定位基阵，4个声音传感器组成定位基阵时形成一个空间直角坐标系，其中一个声音传感器位于坐标原点，另外三个声音传感器分布位于三个坐标轴上，4个声音传感器的坐标分别为(0,0,0)、(x₁,0,0)、(0,y₂,0)、(0,0,z₃)。利用4个声音传感器组成空间直角坐标系，方便计算鸟类位置。

作为优选，所述的步骤s2中，计时器对4个声音传感器分别计时，对各传感器的声音到达时刻作差值计算，其计算式为：

Δt₁₀＝t₁-t₀；

Δt₂₀＝t₂-t₀；

Δt₃₀＝t₃-t₀；

其中，t₀为声音到达位于原点的声音传感器的时刻，t₁为声音到达位于x轴的声音传感器的时刻，t₂为声音到达位于y轴的声音传感器的时刻，t₃为声音到达位于z轴的声音传感器的时刻，Δt₁₀为位于x轴的声音传感器的声音到达时刻与位于原点的声音传感器的声音到达时刻的差值，Δt₂₀为位于y轴的声音传感器的声音到达时刻与位于原点的声音传感器的声音到达时刻的差值，Δt₃₀为位于z轴的声音传感器的声音到达时刻与位于原点的声音传感器的声音到达时刻的差值。

作为优选，所述的步骤s6中，假设鸟类发出鸣声时所处位置坐标为(x,y,z)，则存在有：

其中t_t0为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于原点的声音传感器的时间间隔，t_t1为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于x轴的声音传感器的时间间隔，t_t2为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于y轴的声音传感器的时间间隔，t_t3为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于z轴的声音传感器的时间间隔，c为声音在空气中的传播速度。假设已知根据鸟类发出鸣声的位置，与4个声音传感器形成的空间直角坐标系形成一个空间坐标，则鸟类到每一个声音传感器的距离可知，根据声音在空气中的传播速度，计算鸟类鸣声到达声音传感器的时间间隔。

作为优选，所述的鸟鸣声是同一时间从同一位置发出的，因此各传感器收到声音的到达时刻差值与声音到达各传感器的时间间隔存在以下关系：

根据同一位置同一时间发出的鸟类鸣声，鸟类鸣声到达声音传感器的时间间隔差值与鸟类鸣声到达声音传感器的时刻差值相等。

作为优选，根据各传感器收到声音的到达时刻差值与声音到达各传感器的时间间隔关系，计算鸟类发出鸣声时所处位置，其计算式为：

根据计算式计算出鸟类发出鸣声时所处位置的坐标x、y、z的值，实现鸟类的定位。根据已知的鸟类鸣声到达声音传感器的时刻差值计算出鸟类鸣声到达声音传感器的时间间隔差值，根据鸟类鸣声到达声音传感器的时间间隔差值和声音传感器的位置计算鸟类发出鸣声的位置信息，实现鸟类的定位追踪。

本发明的有益效果是：(1)通过定位基阵，有效获取鸟类鸣声；(2)通过定位基阵位置信息和鸟类鸣声到达声音传感器的时间间隔差值获取鸟类的位置信息，实现鸟类的实时定位；(3)通过声音对鸟类进行定位，减小了光线和障碍物对鸟类定位的影响。

附图说明

图1是实施例一的系统结构示意图。

图2是实施例一的声音传感器结构示意图。

图3是实施例一的鸟类定位方法流程图。

图4是实施例一的声音传感器分布示意图。

图中1.云服务器，2.计时器，3.定位基阵，4.鸣声提取装置，5.示波器，6.波形分析仪，7.外壳，8.驻极体振动模，9.绝缘垫，10.金属极板，11.场效应管，12.二极管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例一：一种基于鸣声的鸟类定位系统，如图1所示，包括用于获取声音的若干个定位基阵3、将声音进行鸟类鸣声提取的鸣声提取装置4、用于显示各鸟类鸣声波形的示波器5、对各种鸟类鸣声波形进行区分的波形分析仪6、云服务器1、无线通信模块和计时器2，定位基阵3安装在鸟类聚集地，若干个定位基阵3均与鸣声提取装置4的输入端连接，鸣声提取装置4的输出端与示波器5连接，示波器5与波形分析仪6的输入端连接，计时器2与定位基阵3连接，波形分析仪6的输出端以及计时器2均通过无线通信模块与云服务器1连接。

如图2所示，定位基阵3包括若干个声音传感器，若干个声音传感器分布安装在鸟类聚集地，声音传感器包括外壳7、驻极体振动模8、绝缘垫9、金属极板10、场效应管11、二极管12和声音信号转换电路，声音信号转换电路包括供电模块VCC、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3和晶体管VT1，驻极体振动模8的一面与外壳7内壁抵接，绝缘垫9的一面与驻极体振动模8的另一面抵接，绝缘垫9的另一面与金属极板10抵接，金属极板10与场效应管11的栅极连接，场效应管11的栅极与二极管12的阴极连接，二极管12的阳极与场效应管11的源极连接，场效应管11的源极接地，场效应管11的漏极分别与电阻R1的第一端、电阻R4的第一端、电容C1的第一端和电容C2的第一端连接，电阻R1的第二端分别与供电模块VCC、电阻R2的第一端和电阻R3的第一端连接，电阻R4的第二端接地，电容C1的第二端分别与电阻R2的第二端和晶体管VT1的基极连接，电容C2的第二端接地，电阻R3的第二端分别与电容C3的第一端和晶体管VT1的发射极连接，晶体管VT1的集电极和电容C3的第二端接地。

在具体应用中，将声音传感器的驻极体振动模8的一面蒸发上一层纯金薄膜，经高压电场驻极后，使塑料薄膜两面分别驻有异性电荷，将蒸金面与外壳7连接，另一面经绝缘垫9隔开后与金属极板10连接，形成一个电容，当外界声音传递到声音传感器时，驻极体振动模8相当于一个话筒，声音波形引起驻极体振动模8振动，使电容产生一个交变电压，经场效应管11后，减小交变电压的阻抗，电阻R1为上拉电阻，同时起到限流作用，电阻R4和电容C1组成RC滤波电路，对场效应管11输出的声音信号波形进行滤波，晶体管VT1起放大器的作用，将交变电压进行放大，使声音信号波形的波峰以及波谷的特征更加明显，输出的声音信号波形传递到鸣声提取装置4，鸣声提取装置4将声音信号波形中杂质剔除，保留属于鸟类的鸣声信号波形，将鸟类鸣声波形传递到示波器5，方便工作人员进行查看，将波形传递给波形分析仪6，筛选出需要进行定位的鸟类鸣声波形，将筛选出的需要进行定位的鸟类鸣声波形经无线通信模块传递给云服务器1，每个声音传感器接收一个声音信号时，计时器2均进行一次计时，并将计时结果传递给云服务器1，计时器2采用原子钟进行计时，提高计时准确性，减小定位误差，云服务器1根据需要进行定位的鸟类鸣声波形和该声音到达声音传感器的时刻，计算出鸟类发出声音时的位置，实现鸟类的定位追踪。

一种基于鸣声的鸟类定位方法，如图3所示，包括以下步骤：步骤s1：获取不同种类的鸟类鸣声波形，建立鸟类鸣声波形与鸟类对应的关系表；步骤s2：将若干个定位基阵3安装在鸟类聚集地，记录每个定位基阵3的位置信息,计时器2记录每一种声音到达定位基阵3的时间；每4个声音传感器组成一个定位基阵3，4个声音传感器组成定位基阵3时形成一个空间直角坐标系，其中一个声音传感器位于坐标原点，另外三个声音传感器分布位于三个坐标轴上，4个声音传感器的坐标分别为(0,0,0)、(x₁,0,0)、(0,y₂,0)、(0,0,z₃)，其中位于原点的声音传感器坐标为(0,0,0)，位于x轴的声音传感器坐标为(x₁,0,0)，位于y轴的声音传感器坐标为(0,y₂,0)，位于z轴的声音传感器坐标为(0,0,z₃)，计时器2对4个声音传感器的声音到达时刻分别计时，对各传感器的声音到达时刻作差值计算，其计算式为：

Δt₁₀＝t₁-t₀；

Δt₂₀＝t₂-t₀；

Δt₃₀＝t₃-t₀；

其中，t₀为声音到达位于原点的声音传感器的时刻，t₁为声音到达位于x轴的声音传感器的时刻，t₂为声音到达位于y轴的声音传感器的时刻，t₃为声音到达位于z轴的声音传感器的时刻，Δt₁₀为位于x轴的声音传感器的声音到达时刻与位于原点的声音传感器的声音到达时刻的差值，Δt₂₀为位于y轴的声音传感器的声音到达时刻与位于原点的声音传感器的声音到达时刻的差值，Δt₃₀为位于z轴的声音传感器的声音到达时刻与位于原点的声音传感器的声音到达时刻的差值。

步骤s3：通过鸣声提取装置4将定位基阵3获取外界声音进行鸟类鸣声波形提取；步骤s4：将提取的鸟类鸣声波形进行种类区分；步骤s5：根据区分后的鸟类鸣声波形，查找鸟类鸣声波形与鸟类对应的关系表，确定要定位的鸟类；步骤s6：根据定位基阵3的位置信息和计时器2，计算鸟类所处的位置，假设鸟类发出鸣声时所处位置坐标为(x,y,z)，则存在有：

其中t_t0为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于原点的声音传感器的时间间隔，t_t1为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于x轴的声音传感器的时间间隔，t_t2为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于y轴的声音传感器的时间间隔，t_t3为鸟类发出鸣声时所处位置到达位于z轴的声音传感器的时间间隔，c为声音在空气中的传播速度。

根据鸟鸣声是同一时间从同一位置发出的，因此各传感器收到声音的到达时刻差值与声音到达各传感器的时间间隔存在以下关系：

Δt₁₀＝t_t1-t_t0，

Δt₂₀＝t_t2-t_t0，

Δt₃₀＝t_t3-t_t0。

根据各传感器收到声音的到达时刻差值与声音到达各传感器的时间间隔关系，计算鸟类发出鸣声时所处位置，其计算式为：

根据上述计算式，其中t₀、t₁、t₂、t₃、x₁、y₂、z₃和c为已知参数，可计算出鸟类发出鸣声时所处位置的坐标x、y、z的值，实现鸟类的定位。

步骤s7：云服务器1结合鸟类所处位置信息和要定位的鸟类确定要定位的鸟类位置信息。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。