大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚群聲信號短時頻譜特性

劉 歡，張培珍，沈 晨，李高聰，高守勇

（1.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；2.湛江水聲對抗國防科技重點實驗室，廣東 湛江 524022）

被動聲吶技術(shù)[1-2]逐漸成為海洋漁業(yè)資源評估、管理[3]以及海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的重要手段和工具。相對于傳統(tǒng)的漁業(yè)資源調(diào)查方法，聲學監(jiān)測方法將漁業(yè)資源量的評估、計算與科學技術(shù)手段相結(jié)合，具有精度高、調(diào)查范圍廣、全天候檢測等優(yōu)點[4-7]。魚類發(fā)聲行為普遍存在，利用被動聲學監(jiān)測技術(shù)研究海洋生物發(fā)聲已得到廣泛應用，目前魚類發(fā)聲類型主要有[8-11]：1）摩擦發(fā)聲，是魚類進食或身體部位摩擦和拍打發(fā)聲，頻率集中在100～8 000 Hz 之間，其主要能量分布在1 000～4 000 Hz之間，產(chǎn)生寬頻譜的非諧波脈沖信號；2）振動發(fā)聲，通過發(fā)聲肌肉收縮帶動鰾振動而發(fā)聲，頻率帶寬為50～1 500 Hz，同時存在基頻和高頻諧波；3）水動力發(fā)聲，通常發(fā)生在魚快速轉(zhuǎn)向或者快速改變速度時，發(fā)聲頻率較低，主要分布在20 Hz 以下的次聲波段。已有研究表明，頻率為50～10 kHz 的生物噪聲包括游泳噪聲、生物發(fā)聲、攝食噪聲，能充分反映信息交流、防衛(wèi)、覓食等魚群狀態(tài)[12-14]。近年來，隨著生物聲學發(fā)展，國內(nèi)外對魚類聲信號特征與分類識別已成為研究熱點[15-27]。在復雜的海洋環(huán)境噪聲中，魚類聲信號的本質(zhì)特征被遮掩，從混疊強噪聲信號中提取到聲信號的有效特征是魚類聲信號辨識的關(guān)鍵。此外，對于大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖多種混雜魚群的發(fā)聲特性的辨識少有研究。因此，本研究利用被動聲學監(jiān)測技術(shù)，對混雜石斑魚（Epinephelus drummondhayi）、卵形鯧鲹（Trachinotus oνatus）與叫姑魚（Johnius grypotus）的大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚群開展晝夜連續(xù)監(jiān)測并進行全時段的時頻域分析，選取人工投料時段、自動投料時段及魚群非攝食時段的聲信號進行短時分析。對原始信號進行短時傅里葉變換獲得水下噪聲頻率和信號強度的變化規(guī)律，針對海洋背景噪聲和魚群發(fā)聲特性，采用不同帶寬的濾波器，提取不同魚群的發(fā)聲頻段和發(fā)聲強度。計算其短時能量和短時過零率，采用概率密度函數(shù)對兩種參數(shù)進行統(tǒng)計分析，給出相應短時參數(shù)的定量聲特征，揭示三種魚群的聲輻射特性在不同狀態(tài)下的差異，從而實現(xiàn)魚群聲信號的辨識和分離。將魚種辨識細化到了聲特征層面，為魚類進一步的分類識別工作奠定了基礎(chǔ)。本研究通過分析網(wǎng)箱魚群的聲信號并對及其進行有效地特征提取與識別，旨在為魚類聲學特性研究和智能養(yǎng)殖提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

所測實驗數(shù)據(jù)來源于廣東省珠海市東南部桂山島海域的“澎湖號”大型半潛式養(yǎng)殖平臺。平臺總長60 m，寬28 m，高16 m，養(yǎng)殖水體總計約1.5 ×104m3。平臺采用60 kW 的波浪能和光伏供電，工作時吃水12 m。平臺目前主要用于卵形鯧鲹和石斑魚的養(yǎng)殖，兩者網(wǎng)箱水體各占平臺水體的一半。卵形鯧鲹養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)約2×104尾卵形鯧鲹，每尾體長15～20 cm。石斑魚網(wǎng)箱內(nèi)約6 × 103尾石斑魚，每尾體質(zhì)量5～10 kg。由于平臺網(wǎng)箱的網(wǎng)孔較大，除人工養(yǎng)殖的卵形鯧鲹和石斑魚外，網(wǎng)箱中還混雜著自然水體的野生叫姑魚。

在平臺布放兩枚自容式水聽器，其中1號水聽器放置在自動投放飼料區(qū)以外的網(wǎng)箱深處，投放水深為12.5 m；2號水聽器放置在石斑魚養(yǎng)殖水體人工投放飼料區(qū)附近，投放水深為6 m。水聽器型號為TC4037，靈敏度為-192 dB，前置放大濾波電路增益為40 dB。在觀測時，水聽器的系統(tǒng)采樣率為105 440 Hz。數(shù)據(jù)采集從2021 年4 月6 日13:00 至4 月7日13:00，時長24 h。

為清楚分析測試過程魚群聲信號受外界激勵的影響，跟蹤記錄數(shù)據(jù)采集過程中可能影響噪聲信號的事件（表1）。

表1 測試關(guān)鍵時段事件Table 1 Critical events during testing

1.2 研究方法

利用短時分析技術(shù)[28-30]，通過短時傅里葉變換時頻圖，獲得魚群發(fā)聲頻段，提取網(wǎng)箱混雜三種魚群聲信號的短時能量和短時過零率特征，對兩種短時特征參數(shù)進行概率分布統(tǒng)計及擬合處理，給出相應短時參數(shù)的定量聲特征。當魚群發(fā)出聲信號時，短時能量和短時過零率相應發(fā)生改變，因此短時特征可以作為區(qū)分魚群發(fā)聲信號和背景噪聲的有效特征量。短時分析技術(shù)主要在人類語音信號識別中廣泛采用，現(xiàn)將其用于網(wǎng)箱內(nèi)不同魚群聲信號的特性差異分析是一種新應用。

分幀處理是短時特征提取的關(guān)鍵步驟，雖然長時段魚群聲信號是時變信號，但在短時間內(nèi)（10～30 ms）信號具有短時平穩(wěn)性。為減少聲音幀的截斷效應，還需進行加窗處理。選取漢寧窗對魚群聲信號進行分幀，取25 ms為一幀，相鄰幀之間的幀移為10 ms。實驗中的采樣頻率為105 440 Hz，因此幀長為105 440 × 0.025=2 636 個采樣點，幀移長度為105 440×0.01=1 054個采樣點。

設時域信號為x(m)，第i幀信號為xi(m)，則xi(m)滿足下式：

其中，w(n)為漢寧窗，L為每一幀信號長度，δ為幀移長度，fn為分幀后的總幀數(shù)。

短時能量描述每幀聲音信號的能量大小，其變化趨勢與聲音信號的波形一致，能很好反映聲音的時域信息。設第i幀聲信號xi(m)的短時能量用Ei表示，則計算公式如下：

根據(jù)測試獲得的聲壓幅度進行短時能量計算，并將計算所得的短時能量值轉(zhuǎn)化為聲壓級顯示，轉(zhuǎn)化公式為：

其中，Ei為計算所得短時能量的有效幅值，E0為短時能量的參考值，這里通過水中的參考聲壓20 μPa獲得。

短時過零率指每幀內(nèi)信號通過零軸的數(shù)量，過零率在一定程度上可反映信號的頻率信息。第i幀聲信號xi(m)的短時過零率Zi的表達式為

其中，sgn(u)是符號函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)箱水下聲信號時頻特征

為獲得魚群噪聲特性，對測得的24 h水下數(shù)據(jù)每5 min 提取一次，每段數(shù)據(jù)的樣本點數(shù)為6 326 400，每段樣本時長為3 00 s。圖1、2分別為1號和2號水聽器全天接收的聲壓信號分布情況及隨時間變化的聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）分布。圖1、2中，橫坐標為數(shù)據(jù)采樣時間，轉(zhuǎn)化為24 h顯示。求解每段數(shù)據(jù)的功率譜，得到全時段頻譜分布（圖1(b)、2(b)）。

圖1 1號水聽器全天時頻特性Fig.1 All-day time-frequency characteristics of hydrophone No.1

圖2 2號水聽器全天時頻特性Fig.2 All-day time-frequency characteristics of hydrophone No.2

由圖1、2可反映出表1的關(guān)鍵時段事件：(1)4月6 日15:55 開始為人工投料時段，在石斑魚網(wǎng)箱投料點，此時魚群比較活躍，發(fā)出的噪聲強度高于背景噪聲。(2)4 月6 日19:10 采用自動投料機進行大規(guī)模投料，魚群由于爭搶食物，活躍度最高，發(fā)出的聲能量最強，遠高于人工投料時段的能量和背景噪聲。對該時段的信號以音頻方式進行播放，聽到的聲音類型主要是拍打聲、咕嚕聲、咯咯聲和咀嚼聲。(3)4 月7 日7:40～8:10 時段，平臺波浪能持續(xù)發(fā)電，同時伴隨著小型漁船經(jīng)過。由于受外界干擾的激勵，此時段的噪聲能量相對于海洋背景噪聲能量也相對較強。可見魚群的活躍度會受到電機發(fā)電和小型漁船等背景噪聲的影響。(4)4月7日8:30在兩網(wǎng)箱間進行自動投料機投料。此時段魚群活躍度高，發(fā)出的噪聲強度高于背景噪聲，但與4 月6 日19:10夜間投料時段的聲信號能量相比較弱。由此推測，網(wǎng)箱魚群在白天的攝食強度相對夜間較弱，魚群進食不活躍。(5)其他時段，特別是深夜，魚群活躍度較低，僅存在魚群零星游動產(chǎn)生的游泳噪聲和表面波浪噪聲。將水聽器采集的信號轉(zhuǎn)換為音頻信號進行播放，半夜大部分時刻的聲音類型主要是水花拍打聲及沙沙的自然環(huán)境噪聲。(6)1號和2號水聽器的入水深度分別為12.5 m和6.0 m，兩個水聽器的入水深度不同，頻譜分布圖的能量值也不相同。在投料過程中，魚群進食時上浮且受海面環(huán)境噪聲影響，因此2號水聽器測得的聲壓高于1號水聽器。

2.2 不同時段魚群聲信號特性

由圖1 可見，網(wǎng)箱內(nèi)生物噪聲頻率范圍主要集中在200～2 500 Hz，出現(xiàn)魚群發(fā)聲信號的時段主要集中在4 月6 日15～23 h，在19～21 h 最為明顯。其他時段，魚群發(fā)聲信號不明顯。選取1 號水聽器所測魚群攝食和非攝食時段的聲信號及安靜環(huán)境下的水下聲信號進行短時分析，對比區(qū)分不同魚群的發(fā)聲特性。

2.2.1 人工投料時段特征 選取4 月6 日15:55 石斑魚網(wǎng)箱內(nèi)人工投料時段的水下聲信號進行譜特性分析。圖3 顯示，100 Hz 以下的信號頻段主要是淺海低頻背景噪聲，聲壓級峰值約100 dB。石斑魚在攝食過程中產(chǎn)生的攝食發(fā)聲頻率范圍為200～1 000 Hz（圖3(a)黑色虛線框標出），聲壓級峰值約110 dB，對應頻率約650 Hz。魚群攝食時較為活躍，因相互游動撞擊搶食，身體部位摩擦和拍打水花產(chǎn)生的輻射噪聲頻率范圍為2 000～5 000 Hz（圖3(a)黑色實線框標出），聲壓級峰值約98 dB。

圖3 人工投料時段水下聲信號的譜特性Fig.3 Spectral characteristics of underwater acoustic signals during manual feeding period

為得到石斑魚群攝食時段的聲特征隨時間的變化規(guī)律，對其攝食聲信號（200～1 000 Hz）進行短時能量和短時過零率的計算，并繪制兩種參數(shù)的分布圖和概率密度分布（Probability Density Function，PDF）直方圖。由圖4可見，石斑魚攝食發(fā)聲時段，短時能量范圍70～85 dB，概率密度能量峰值約80 dB；短時過零率范圍35～40，概率密度過零率峰值約37。

圖4 石斑魚攝食聲信號時段的短時特征Fig.4 Short-time characteristics of Epinephelus drummondhayi grouper during feeding period

2.2.2 自動投料機投料時段特征 選取4 月6 日19:10 自動投料機大規(guī)模投料時段的水下聲信號進行譜特性分析。圖5 顯示，此時段存在魚群聲信號的混疊。叫姑魚依靠體內(nèi)鰾的振動而發(fā)聲，其發(fā)聲主要集中在傍晚7 時至次日凌晨1 時，該時段的叫聲s主要為脈沖串的形式且存在高次諧波（合奏現(xiàn)象）。其中200～1 500 Hz 為叫姑魚攝食聲信號的基頻頻帶，諧波能量持續(xù)到7 000 Hz左右，聲壓級峰值高達120 dB（圖5(a)黑色虛線框標出）。卵形鯧鲹攝食發(fā)聲頻率范圍為600～2 000 Hz，聲壓級峰值約108 dB（圖5(a)黑色實線框標出）。

圖5 自動投料機大規(guī)模投料時段水下聲信號的譜特性Fig.5 Spectral characteristics of underwater acoustic signals during automatic massively feeding periods

由于自動投料機大規(guī)模投料，整個網(wǎng)箱魚群運動劇烈，魚群活躍度最高，魚群相互撞擊拍打水花產(chǎn)生的頻帶能量相對于人工投料時段較高。播放此時段的音頻信號，可以聽到“嘶嘶”“咯吱”的咀嚼摩擦聲，這是由于魚群吞食伴隨水體表面氣泡破裂產(chǎn)生的聲音，以及魚群快速游動發(fā)出的撥水聲和尾部拍打水花產(chǎn)生的水流聲。

將圖5(a)中兩種魚類的發(fā)聲頻段（圖中黑色實線框和虛線框內(nèi)所標識的區(qū)域）放大，得到如圖6所示的短時譜圖，觀察其攝食聲信號的頻譜特性差異。由圖6可見，卵形鯧鲹攝食發(fā)聲時段，產(chǎn)生較為寬頻的信號形式；叫姑魚的攝食聲信號為單脈沖的形式且單個脈沖持續(xù)時間較短并具有一定的周期性，諧波能量較強。

圖6 卵形鯧鲹（a）和叫姑魚（b）攝食聲信號時段的短時譜Fig.6 Short-time spectrum of Trachinotus oνatus(a)and Johnius grypotus(b)in feeding period

分別對卵形鯧鲹和叫姑魚的攝食聲信號進行短時能量和短時過零率的計算，并繪制兩種參數(shù)的分布圖和概率密度分布直方圖。由圖7(a-c)可見，卵形鯧鲹攝食聲信號的短時能量范圍為85～92 dB，概率密度能量峰值約88 dB；叫姑魚攝食聲信號的短時能量范圍為106～116 dB，概率密度能量峰值約115 dB。由圖7 (d-f)可見，卵形鯧鲹攝食聲信號的短時過零率范圍為50～75，概率密度過零率峰值約58；叫姑魚攝食聲信號的短時過零率范圍為110～300，概率密度過零率峰值約150。兩種魚群的攝食聲信號特征在短時能量和短時過零率上可得到明顯區(qū)分。

圖7 卵形鯧鲹和叫姑魚攝食聲信號時段的短時特征Fig.7 Short-time characteristics of Trachinotus oνatus and Johnius grypotus during feeding period

2.2.3 攝食后時段特征 4月6日21:30，網(wǎng)箱魚群攝食完成。由圖8(a)可見，該時段出現(xiàn)三種魚群聲信號的混疊，網(wǎng)箱魚群聲信號的能量較攝食時段較弱，叫姑魚的頻譜特性差異最為明顯。此時段叫姑魚的合奏現(xiàn)象不明顯，諧波能量相對較弱，僅存在持續(xù)到2 500 Hz 的諧波信號。圖8(b-c)顯示，三種魚群的聲信號特征在短時能量上可得到明顯區(qū)分，短時特征值大小為叫姑魚＞卵形鯧鲹＞石斑魚。卵形鯧鲹的短時過零率總體略低于叫姑魚。

圖8 攝食后時段魚群聲信號的短時譜和短時特征Fig.8 Spectral characteristics of underwater acoustic signals after feeding periods

2.2.4 凌晨1:30 時段特征 圖9 為凌晨1:30 安靜環(huán)境下網(wǎng)箱水下聲信號全頻段的噪聲特性分布?？梢?，在安靜環(huán)境下，魚群活躍度低，發(fā)出的噪聲頻段也很低，在2 000～5 000 Hz間僅存在魚群零星游動拍打水花的輻射噪聲，聲壓級峰值約88 dB。

圖9 半夜時段水下聲信號的譜特性Fig.9 Spectral characteristics of underwater acoustic signals during the midnight

3 網(wǎng)箱魚群聲信號特征對比

增加多時段數(shù)據(jù)進一步分析，將網(wǎng)箱三種魚群的攝食聲和非攝食聲信號的短時特征轉(zhuǎn)化為概率密度分布直方圖顯示，對比觀察三種魚群在不同狀態(tài)下短時特征的統(tǒng)計特性差異，如下圖10、11所示。從整體來看，網(wǎng)箱魚群在攝食時段的短時特征相較于非攝食時段存在顯著差異，且攝食時段的聲信號短時能量普遍較強，相較于非攝食時段高出15 dB左右。三種魚群的短時特征值關(guān)系為：叫姑魚＞卵形鯧鲹＞石斑魚。

圖10 攝食時段三種魚群的短時特征概率密度分布Fig.10 PDF of short-time characteristics of the three species of fish during the feeding period

圖11 非攝食時段三種魚群的短時特征概率密度分布Fig.11 PDF of short-time characteristics of the three species of fish during the non-feeding period

通過上述對網(wǎng)箱魚群攝食和非攝食時段的聲信號進行時頻分析及短時特征的概率統(tǒng)計分布可以發(fā)現(xiàn)，在非攝食時段，魚群聲信號的能量減弱，直至半夜時段，網(wǎng)箱魚群安靜不發(fā)聲，僅存在零星游動的摩擦聲信號。將三種魚群在攝食和非攝食時段的發(fā)聲特性及短時特征進行定量的對比分析（表2），可見：

表2 三種魚群的聲信號特征Table 2 Characteristics of three fish species

1）不同魚種的發(fā)聲機理及頻譜特性不同，在不同狀態(tài)下的短時特征也存在一定的差異，攝食時段魚群的發(fā)聲頻率范圍大，短時特征值高于非攝食時段。在攝食和非攝食狀態(tài)下，石斑魚和卵形鯧鲹群各自的短時特征值無較大的差異，叫姑魚群的短時特征值變化較大，聲信號諧波能量減弱。

2）在攝食時段，三種魚群的聲信號在發(fā)聲頻帶、發(fā)聲方式及短時特征上存在顯著差異，可以對網(wǎng)箱魚群進行較好的辨識。在非攝食時段，三種魚群的聲信號在短時能量上可得到較好的區(qū)分，但在短時過零率上，石斑魚和卵形鯧鲹群的聲信號存在較大的混疊。

由此可見，網(wǎng)箱魚群攝食時段聲信號的頻譜特性及短時特征差異最為明顯，可對網(wǎng)箱魚群進行較好的辨識。

4 結(jié)論

本研究利用被動聲學監(jiān)測技術(shù)對多種群的大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚群的聲輻射特性及集群特性進行分析。將魚種辨識細化到魚類的聲特征層面，為魚類進一步的分類識別工作奠定基礎(chǔ)。在研究內(nèi)容上，選取網(wǎng)箱魚群在攝食和非攝食時段的聲信號進行特性研究，探索網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚群的時頻特征與其日常活動狀態(tài)的關(guān)系，以及不同種群魚群的聲輻射特性差異，獲得不同魚群的發(fā)聲頻帶范圍及聲壓級分布特性。在研究方法上，基于語音信號識別的特征提取方法，運用短時能量和短時過零率的統(tǒng)計特性對網(wǎng)箱養(yǎng)殖混雜魚群在不同外界激勵條件下的聲信號特性進行定量分析和處理，得出三種魚群聲信號的短時特征參數(shù)的差異。

通過頻帶寬度、短時過零率、短時能量等多種特性參數(shù)相結(jié)合，不僅可實現(xiàn)網(wǎng)箱內(nèi)魚群種類的辨識，還可以掌握魚群在投喂等激勵條件下的反應。相應的研究成果為魚類聲學特性的認識和把握、混合魚種的聲學調(diào)查和魚種辨識、以及發(fā)聲的生物學行為等研究提供參考。根據(jù)魚群的攝食行為及其聲信號時頻特征差異可反饋魚群的攝食活性強度，自動投料機大規(guī)模投料時段網(wǎng)箱魚群的聲信號能量及魚群活躍度高于人工投料時段。在研究過程中還發(fā)現(xiàn)，自動投料時段魚群在夜間的攝食強度明顯高于上午。根據(jù)不同時段魚群進食活躍度的差異，有望在未來實現(xiàn)網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚群的實時按需投喂以及智能投料系統(tǒng)的設計。

由于實驗環(huán)境的復雜性及實驗條件有限，在實驗數(shù)據(jù)的采集過程中，養(yǎng)殖平臺采用波浪能發(fā)電，平臺噪聲對魚群的發(fā)聲特性影響不顯著，因此本研究暫未考慮平臺噪聲對魚群噪聲特性的影響。此外，為更有效地辨識和評估網(wǎng)箱魚群的種類、分布及生物量，獲得不同魚群的體型、數(shù)量和發(fā)聲數(shù)據(jù)之間的關(guān)系也是需要進一步研究的關(guān)鍵問題。為獲得更加全面的網(wǎng)箱魚群聲數(shù)據(jù)，還需持續(xù)展開長期實驗監(jiān)測和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析。