基于聲學(xué)沖激響應(yīng)的奶山羊呼吸及反芻同步監(jiān)測(cè)方法

王天本 劉現(xiàn)濤 李張本 嚴(yán)宏昊 宋懷波 胡 瑾

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院, 陜西楊凌 712100;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100)

0 引言

近年來(lái)羊奶制品的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年全國(guó)羊奶市場(chǎng)規(guī)模為160億元,2025年將突破200億元[1]。隨著羊奶市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展,智能化是奶山羊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。奶山羊個(gè)體生理體征監(jiān)測(cè)是智能化養(yǎng)殖不可或缺的環(huán)節(jié)[2]。呼吸及反芻是奶山羊基本的生理體征,準(zhǔn)確地獲取奶山羊個(gè)體的呼吸和反芻信息對(duì)于評(píng)估奶山羊健康狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)奶山羊患病個(gè)體具有重要意義[3]。

傳統(tǒng)的呼吸和反芻監(jiān)測(cè)以人工觀測(cè)為主。人工觀察并計(jì)量胸脯起伏、咀嚼次數(shù)[4-5],效率低下且無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)。隨著信息技術(shù)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展,自動(dòng)化呼吸及反芻監(jiān)測(cè)成為奶山羊智能化養(yǎng)殖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的自動(dòng)化奶山羊呼吸及反芻監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式呼吸監(jiān)測(cè)方法利用穿戴式設(shè)備(如壓敏、氣敏或熱敏傳感器等)測(cè)定胸脯部運(yùn)動(dòng)、呼吸聲、呼吸氣流等相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測(cè)[6-8];接觸式反芻監(jiān)測(cè)方法主要以加速度傳感器、壓力傳感器測(cè)量下顎移動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)反芻監(jiān)測(cè)[9-12]。雖然上述方法可以實(shí)現(xiàn)呼吸和反芻的可靠監(jiān)測(cè),但需要在牲畜身體特定部位穿戴或植入傳感器,干擾牲畜自然狀態(tài)。此外,穿戴式設(shè)備易被刮蹭、啃咬、尿液浸泡而出現(xiàn)損壞,實(shí)施和維護(hù)成本較高。

現(xiàn)有的非接觸式牲畜呼吸和反芻監(jiān)測(cè)方法主要以視頻圖像[13-18]、激光測(cè)距[19]、熱成像[20]、聲音識(shí)別[21-26]等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建?；谝曨l圖像的方法雖能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),但受可視角度限制,對(duì)被測(cè)牲畜的朝向敏感,當(dāng)被測(cè)牲畜背對(duì)設(shè)備時(shí)系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)測(cè)呼吸和反芻。此外,基于視頻的方法易受環(huán)境光線影響干擾。基于熱成像的監(jiān)測(cè)方法雖不受光線影響,但設(shè)備價(jià)格昂貴,難以推廣應(yīng)用?；诩す鉁y(cè)距的方法由于受激光信號(hào)強(qiáng)指向性的影響對(duì)被測(cè)牲畜的朝向敏感?，F(xiàn)有基于聲音識(shí)別技術(shù)的方法,通過(guò)拾音器近距離采集牲畜呼吸過(guò)程中鼻腔發(fā)出的聲音和反芻時(shí)上下頜撞擊產(chǎn)生的聲音,利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)呼吸和反芻監(jiān)測(cè)。此類方法依賴大量離線數(shù)據(jù),對(duì)環(huán)境噪聲敏感且距離分辨率不足。此外,上述幾類方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)牲畜呼吸和反芻的同步監(jiān)測(cè)。近年來(lái)研究人員嘗試將超聲用于人的非接觸式呼吸監(jiān)測(cè)[27-28],并獲得了良好的呼吸監(jiān)測(cè)效果。與其它監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,基于超聲的監(jiān)測(cè)技術(shù)范圍廣、不受光線的影響,為奶山羊的呼吸及反芻監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。

沖激響應(yīng)[29-30]作為衡量系統(tǒng)響應(yīng)隨時(shí)間變化的工具,可以描述聲學(xué)信號(hào)到達(dá)拾音器的延遲及衰減情況,具備良好的時(shí)間分辨特性。鑒于上述分析,本文提出一種基于聲學(xué)沖激響應(yīng)的靜臥奶山羊呼吸及反芻同步監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)聲學(xué)沖激響應(yīng)捕捉呼吸和反芻引起的多徑信號(hào)的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)單只靜臥奶山羊朝向魯棒的呼吸及反芻同步監(jiān)測(cè),以期為奶山羊患病個(gè)體及其它特殊個(gè)體的生理體征監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 聲學(xué)信號(hào)捕獲與數(shù)據(jù)采集

1.1 室內(nèi)聲學(xué)回波模型

聲波信號(hào)本質(zhì)上為機(jī)械波,無(wú)法穿透墻體和室內(nèi)的其它物體,因此在室內(nèi)存在豐富的聲學(xué)多徑反射效應(yīng)。在圈舍養(yǎng)殖場(chǎng)景中布設(shè)揚(yáng)聲器和拾音器,揚(yáng)聲器與拾音器以類似雷達(dá)的方式同步工作。揚(yáng)聲器發(fā)出預(yù)設(shè)的超聲信號(hào),經(jīng)過(guò)室內(nèi)的一次或多次反射,最終被拾音器接收。將圈舍環(huán)境及被測(cè)羊只看作一個(gè)系統(tǒng),利用收發(fā)信號(hào)估計(jì)系統(tǒng)聲學(xué)沖激響應(yīng),刻畫反射信號(hào)幅度及時(shí)延隨時(shí)間的變化。奶山羊呼吸過(guò)程中的胸脯起伏和反芻過(guò)程中的嘴部咀嚼動(dòng)作均為周期性運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致經(jīng)過(guò)其反射的聲波信號(hào)的幅度和延遲發(fā)生周期性變化。然而,拾音器接收到的信號(hào)不僅包含奶山羊呼吸及反芻運(yùn)動(dòng)的反射信號(hào),還包含室內(nèi)的其它反射信號(hào),為了從眾多反射信號(hào)中提取奶山羊呼吸及反芻運(yùn)動(dòng)的反射信號(hào),本文構(gòu)建了室內(nèi)回波模型。如圖1所示,拾音器接收的回波主要包括經(jīng)過(guò)奶山羊胸脯部的反射信號(hào)(圖中綠色箭頭),經(jīng)過(guò)奶山羊嘴部反射的信號(hào)(圖中黃色箭頭),經(jīng)過(guò)奶山羊胸脯部及嘴部的反射信號(hào)(圖中紅色箭頭),羊的其它部位反射信號(hào)(圖中藍(lán)色箭頭),靜態(tài)環(huán)境反射信號(hào)(圖中紫色箭頭),環(huán)境噪聲(圖中白色箭頭)。

圖1 室內(nèi)聲學(xué)回波模型

綜上,在室內(nèi)環(huán)境中,拾音器所接收到的回波xr(n)可以表示為

xr(n)=xbre(n)+xchew(n)+xmult(n)+xdyn(n)+

xsta(n)+N(n)

(1)

式中xbre(n)——經(jīng)過(guò)奶山羊胸脯部反射,最終被拾音器接收的信號(hào),包括直接經(jīng)過(guò)奶山羊胸脯部反射信號(hào)xbre_dir(n),以及同時(shí)經(jīng)過(guò)周圍環(huán)境(如墻壁、門、窗等)和奶山羊胸脯部的反射信號(hào)xbre_indir(n)

xchew(n)——經(jīng)過(guò)奶山羊嘴部反射,最終被拾音器接收的信號(hào),包括直接經(jīng)過(guò)奶山羊嘴部反射信號(hào)xchew_dir(n)以及同時(shí)經(jīng)過(guò)周圍環(huán)境(如墻壁、門、窗等)和奶山羊嘴部的反射信號(hào)xchew_indir(n)

xmult(n)——經(jīng)過(guò)奶山羊胸脯部及嘴部的反射信號(hào),包括直接反射信號(hào)xmult_dir(n)和間接反射信號(hào)xmult_indir(n)

xdyn(n)——經(jīng)過(guò)奶山羊其它部位(如耳部、腿部、尾部等)一次或多次反射,最終被拾音器接收到的回波信號(hào)

xsta(n)——經(jīng)過(guò)靜態(tài)環(huán)境的一次或多次反射信號(hào)

N(n)——圈舍環(huán)境中的噪聲

奶山羊在圈舍內(nèi)處于靜息狀態(tài)的位置和朝向不固定,當(dāng)奶山羊背對(duì)設(shè)備或被遮擋時(shí),xbre(n)、xchew(n)和xmult(n)中不存在或存在很少的直接反射信號(hào),但由于室內(nèi)環(huán)境中存在豐富的聲學(xué)多徑反射,因此xbre_indir(n)、xchew_indir(n)和xmult_dir(n)一直存在。在實(shí)際圈舍環(huán)境中,由于奶山羊胸脯部的面積遠(yuǎn)小于靜態(tài)環(huán)境的反射面積,因此xbre(n)、xchew(n)和xmult(n)中包含反射路徑的數(shù)量和信號(hào)能量遠(yuǎn)小于xsta(n)中包含反射路徑的數(shù)量和信號(hào)能量。但由于奶山羊呼吸過(guò)程中的胸脯起伏和反芻過(guò)程中的嘴部咀嚼動(dòng)作均為周期性運(yùn)動(dòng),靜態(tài)環(huán)境反射信號(hào)xsta(n)沒有經(jīng)過(guò)奶山羊的胸脯部及嘴部反射,不包含奶山羊的運(yùn)動(dòng)信息,因此可以通過(guò)周期性分析反射信號(hào)來(lái)提取xbre(n)、xchew(n)和xmult(n)。提取上述周期性變化的反射信號(hào),利用呼吸頻率和反芻頻率的差異[31-32]實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)和反芻信號(hào)的分離。

1.2 回波音頻采集

于2022年6—7月在西北農(nóng)林科技大學(xué)畜牧教學(xué)試驗(yàn)基地隔離圈舍(3 m×2.5 m×2.9 m)進(jìn)行靜臥奶山羊回波音頻采集,選取具備反芻能力的7只健康西農(nóng)薩能奶山羊,分別進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)。為了避免羊只對(duì)環(huán)境改變產(chǎn)生的生理變化,每只奶山羊都提前3 d在隔離圈舍內(nèi)作環(huán)境適應(yīng)性飼養(yǎng)。試驗(yàn)布置如圖2所示,在圈舍內(nèi)布設(shè)聲波多路同步收發(fā)平臺(tái),聲波收發(fā)平臺(tái)由4個(gè)寬頻揚(yáng)聲器和嵌有兩個(gè)全向拾音器的聲卡組成。聲波收發(fā)平臺(tái)通過(guò)USB接口與便攜式計(jì)算機(jī)相連,呼吸及反芻監(jiān)測(cè)算法在Matlab軟件上運(yùn)行。為了音頻采集的效果及避免被羊只破壞,聲波收發(fā)平臺(tái)放置在圈舍左側(cè),在外放置保護(hù)柵欄。試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)以音頻幀的形式存儲(chǔ)到硬盤中,數(shù)據(jù)格式為.mat,幀率為20 f/s。每段音頻數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為20 min。

圖2 音頻采集試驗(yàn)布署

試驗(yàn)平臺(tái)為一臺(tái)Windows 10專業(yè)版系統(tǒng)的便攜式計(jì)算機(jī),處理器配置為Intel(R)Core(TM)i7-4720 HQ,主頻為2.60 GHz,內(nèi)存為8 GB,算法開發(fā)平臺(tái)版本為Matlab 2020a。收發(fā)平臺(tái)采樣頻率fs為96 kHz,以頻率變化連續(xù)的正弦調(diào)頻連續(xù)波作為發(fā)射信號(hào),參數(shù)設(shè)置為:載波頻率fc為38 kHz,掃頻帶寬B為2 kHz,掃頻周期T為0.02 s,一個(gè)信號(hào)周期T′為0.05 s。4個(gè)揚(yáng)聲器的總功率為50 W,揚(yáng)聲器靈敏度為94 dB。當(dāng)fc=38 kHz時(shí),揚(yáng)聲器的波束寬度為±14°,拾音器的靈敏度、信噪比和總諧波畸變分別為-26 dBFS、64.3 dB和0.2%。

1.3 音頻選擇

對(duì)采集到的圈舍內(nèi)靜臥奶山羊音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,去除掉奶山羊進(jìn)食、未發(fā)生反芻行為、奶山羊活動(dòng)等無(wú)效音頻數(shù)據(jù)后,共得到7段奶山羊試驗(yàn)音頻。如表1所示,試驗(yàn)中奶山羊相對(duì)聲波收發(fā)平臺(tái)朝向涉及正朝、側(cè)朝和背朝3種方向,且存在雨聲、其它羊叫聲、音樂(lè)聲等噪聲。7段測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)長(zhǎng)、相對(duì)聲波收發(fā)平臺(tái)朝向均具有較大差異,且存在其它干擾因素,可用于驗(yàn)證本文方法的適用性。

表1 靜臥奶山羊音頻信息

2 奶山羊呼吸及反芻監(jiān)測(cè)算法

算法主要由3部分組成:沖激響應(yīng)序列估計(jì),用于定量描述每一路多徑信號(hào)的變化;呼吸及反芻信號(hào)分離,通過(guò)自相關(guān)函數(shù)度量沖激響應(yīng)時(shí)序序列,根據(jù)呼吸頻率和反芻頻率的差異分離呼吸和反芻信號(hào);呼吸及反芻波形可視化,將分離得到的呼吸和反芻信號(hào),經(jīng)幅度歸一化、相位同步后,分別合成呼吸波形和反芻波形。算法整體方案如圖3所示。

圖3 算法整體方案

2.1 沖激響應(yīng)序列估計(jì)

為了準(zhǔn)確地估計(jì)圈舍環(huán)境中的系統(tǒng)沖激響應(yīng),確保沖激響應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性并避免對(duì)羊只造成干擾,需要設(shè)計(jì)合適的發(fā)送信號(hào)。本文采用載波頻率大于37 kHz(羊聽覺范圍上限)的連續(xù)調(diào)頻波作為發(fā)送信號(hào)。由于常見的鋸齒調(diào)頻或者三角調(diào)頻均存在頻率突變點(diǎn),發(fā)送信號(hào)存在頻譜泄漏現(xiàn)象,導(dǎo)致?lián)P聲器發(fā)出的聲波混雜有羊聽覺范圍內(nèi)的噪聲。本文選用頻率變化連續(xù)的正弦調(diào)頻構(gòu)建發(fā)送信號(hào)。其瞬時(shí)頻率可表示為

(2)

發(fā)送信號(hào)在時(shí)刻t的瞬時(shí)相位u(t)可表示為

(0≤t≤T)

(3)

發(fā)送信號(hào)表示為

xs(t)=cos(u(t))=

(0≤t≤T)

(4)

為實(shí)現(xiàn)持續(xù)的呼吸及反芻監(jiān)測(cè),需要連續(xù)發(fā)送xs(t),拾音器同步接收當(dāng)前時(shí)刻反射回波。但直接發(fā)送xs(t)會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)存在混疊現(xiàn)象,即某一時(shí)刻拾音器接收到的數(shù)據(jù)為多次發(fā)送信號(hào)回波的疊加,不滿足系統(tǒng)沖激響應(yīng)估計(jì)的零狀態(tài)要求,導(dǎo)致沖激響應(yīng)的估計(jì)錯(cuò)誤。為了使每次拾音器接收到的數(shù)據(jù)為一次發(fā)送信號(hào)的完整回波,需要為發(fā)送信號(hào)加入一定的占空比,公式為

(5)

式中w(t)——窗函數(shù),用于緩解信號(hào)幅度突變導(dǎo)致的頻譜泄漏

最終發(fā)送信號(hào)的離散形式為

xs(n)=

(6)

式中Ts——采樣間隔

h(n)——圈舍聲學(xué)沖激響應(yīng)

為了避免接收回波出現(xiàn)混疊,T′-T應(yīng)大于圈舍最大多徑時(shí)延。通常圈舍空間越大,最大的多徑時(shí)延也就越大。圖4a、4b分別為發(fā)送信號(hào)的時(shí)域波形和時(shí)頻域波形(fs=96 kHz,fc=38 kHz,B=2 kHz,T=0.02 s,T′=0.05 s)。

圖4 發(fā)送信號(hào)時(shí)域與時(shí)頻域圖

為了減少環(huán)境噪聲干擾,收到的回波濾除發(fā)送掃頻頻段周圍500 Hz頻段的信號(hào),以消除發(fā)送信號(hào)頻帶以外的噪聲干擾。去除噪聲后,拾音器接收到的回波模型為

xr(n)=h(n)?xs(n)

(7)

根據(jù)卷積定理可得

(8)

式中H(n)——h(n)的傅里葉變換

Xr(n)——xr(n)的傅里葉變換

Xs(n)——xs(n)的傅里葉變換

(9)

ε(n)——正則項(xiàng),一般設(shè)計(jì)為在xs(n)的頻段內(nèi)取很小的值而在xs(n)頻段外取較大的值以屏蔽環(huán)境噪聲

最終沖激響應(yīng)可估計(jì)為

(n)=IFFT(Xs(n)C(n))

(10)

以圖4中所示例子為發(fā)送信號(hào),圖5為某圈舍內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)沖激響應(yīng)的估計(jì)結(jié)果。橫軸表示每個(gè)多徑反射信號(hào)的時(shí)間延遲,縱軸表示多徑信號(hào)幅度。

圖5 系統(tǒng)沖激響應(yīng)序列時(shí)域圖

[S1S2…Sk]

(11)

式中Si——時(shí)間延遲為i/fs的多徑信號(hào)的幅度變化序列

M——分析窗口長(zhǎng)度

由于聲波收發(fā)設(shè)備不是嚴(yán)格的線性系統(tǒng),Si會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生非線性趨勢(shì),因而要對(duì)Si進(jìn)行去趨勢(shì)處理。

2.2 呼吸及反芻信號(hào)分離

呼吸過(guò)程中的胸脯起伏和反芻過(guò)程中的嘴部咀嚼動(dòng)作均具有周期性,經(jīng)過(guò)胸脯部及嘴部的直接或間接多徑反射信號(hào),均會(huì)出現(xiàn)周期性波動(dòng)。因此,通過(guò)度量Si的周期性即可實(shí)現(xiàn)直接和間接呼吸及反芻動(dòng)作反射信號(hào)的提取。

自相關(guān)函數(shù)是進(jìn)行周期性度量的良好工具,Si的自相關(guān)函數(shù)定義為

(12)

(13)

式中cn——Si的自協(xié)方差

圖6a給出了4個(gè)不同的Si,分別表示:僅經(jīng)過(guò)胸部和靜態(tài)環(huán)境反射的多徑信號(hào)(黑色);僅經(jīng)過(guò)嘴部和靜態(tài)環(huán)境反射的多徑信號(hào)(紅色);同時(shí)經(jīng)過(guò)嘴部、胸部及靜態(tài)環(huán)境反射的多徑信號(hào)(藍(lán)色);未經(jīng)過(guò)胸部及嘴部反射的多徑信號(hào)(黃色)?？梢钥吹絻H經(jīng)過(guò)胸部、僅經(jīng)過(guò)嘴部和同時(shí)經(jīng)過(guò)嘴部和胸脯反射的多徑信號(hào)均具有一定的周期性,而未經(jīng)過(guò)嘴部和胸部反射的信號(hào)無(wú)周期性。圖6b為上述4個(gè)Si的自相關(guān)函數(shù)值?？梢钥吹?有周期性的Si的自相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)出多個(gè)明顯的峰值且峰值之間間隔均勻。假設(shè)某一時(shí)刻Si序列的自相關(guān)函數(shù)前i個(gè)峰值的幅度為peaki,對(duì)應(yīng)的峰值索引位置為li,0≤i≤m,令自相關(guān)函數(shù)峰值間隔linr=li+1-li,因此,基于自相關(guān)函數(shù)的挑選周期性Si的規(guī)則可定義為

圖6 序列與自相關(guān)函數(shù)值

peakmax>PeakheightThrd

其中,peakmax表示自相關(guān)函數(shù)峰值的最大值;PeakheightThrd表示自相關(guān)函數(shù)峰值幅值的閾值;PeriodThrd表示自相關(guān)函數(shù)周期的閾值;MidD表示奶山羊完成一次反芻的平均時(shí)間。

基于上述規(guī)則即可提取出所有包含呼吸和反芻信息的Si。

基于自相關(guān)函數(shù)提取出來(lái)的周期性Si可能同時(shí)包含呼吸和反芻信息(如圖6a中藍(lán)曲線所示)。由于奶山羊呼吸頻率和反芻頻率差異明顯,因此可以通過(guò)構(gòu)建帶通濾波器組分離呼吸和反芻信號(hào)。為了適應(yīng)不同羊只的呼吸和反芻頻率,首先計(jì)算所有周期性Si的幅度譜,如圖7所示,根據(jù)幅度譜峰值確定帶通濾波器的截止頻率,然后使用構(gòu)造的帶通濾波器進(jìn)行濾波。圖8展示了圖6a中同時(shí)包含呼吸和反芻信息的Si經(jīng)過(guò)帶通濾波器組分離得到的呼吸波和反芻波。

圖8 濾波前后序列

2.3 呼吸及反芻運(yùn)動(dòng)波形可視化

從多個(gè)不同的周期性Si可以分離出多路呼吸信號(hào)和多路反芻信號(hào)。融合多路呼吸信號(hào)(反芻信號(hào))即可得到呼吸波(反芻波)。由于不同的多徑信號(hào)有不同的幅度和反射路徑,從不同的周期性Si分離得到的多個(gè)呼吸信號(hào)(反芻信號(hào))幅度不同且可能出現(xiàn)相位差為π的現(xiàn)象。圖9a和圖9e分別為從不同周期性Si分離得到的多個(gè)呼吸信號(hào)和多個(gè)反芻信號(hào)。直接將這些呼吸信號(hào)(反芻信號(hào))疊加會(huì)使幅度較小的信號(hào)被淹沒,相位相反的信號(hào)相互抵消。為解決上述問(wèn)題,首先將所有呼吸信號(hào)(反芻信號(hào))進(jìn)行幅度歸一化,然后對(duì)相位進(jìn)行同步,最后進(jìn)行疊加平均(詳見算法1)。圖9b和圖9f分別為歸一化后的多個(gè)呼吸信號(hào)和多個(gè)反芻信號(hào),圖9c和圖9g分別為相位同步后的多個(gè)呼吸信號(hào)和多個(gè)反芻信號(hào),圖9d和圖9h為最終合成的該時(shí)刻的呼吸信號(hào)和反芻信號(hào)。

圖9 波形合成

算法1:呼吸和反芻波形合成算法

輸出:當(dāng)前時(shí)刻合成的呼吸波Wbcurr及反芻波Wccurr。

Bwcurr←Synthesizer(Sb,Wblast);

Cwcurr←Synthesizer(Sc,Wclast);

Procedure Synthesizer(S,W)

forifrom 2 toNdo

else

end if

end for

Wcurr←Wcurr./N∥對(duì)合成的波形的幅度進(jìn)行求和平均處理

if ‖Wlast+Wcurr‖1<‖Wlast-Wcurr)‖1do∥ 與前一時(shí)刻相位校正

Wcurr←-Wcurr

end if

算法首先將當(dāng)前呼吸(反芻)波初始化為歸一化后的第一個(gè)呼吸(反芻)信號(hào)。然后逐個(gè)檢查其它呼吸(反芻)信號(hào),若與當(dāng)前呼吸(反芻)波相位相近則將其直接疊加到當(dāng)前呼吸(反芻)波,否則沿時(shí)間軸反轉(zhuǎn)后疊加到當(dāng)前呼吸(反芻)波。然后對(duì)當(dāng)前呼吸(反芻)波做平均處理。最后參考上一時(shí)刻的呼吸(反芻)波對(duì)當(dāng)前呼吸(反芻)波相位進(jìn)行校正,確保前后兩次合成的呼吸波相位連續(xù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同個(gè)體奶山羊呼吸及反芻監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表1中7段音頻數(shù)據(jù)采集時(shí)奶山羊的位置、對(duì)應(yīng)的某一幀呼吸及反芻波形如圖10所示?？梢钥吹郊词贡粶y(cè)羊只背對(duì)著聲波收發(fā)設(shè)備,系統(tǒng)仍能監(jiān)測(cè)到奶山羊的呼吸及反芻運(yùn)動(dòng)。

采用本文呼吸及反芻監(jiān)測(cè)方法對(duì)7段音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如表2所示。表2中呼吸和反芻次數(shù)的真實(shí)值由人工觀察得到;呼吸和反芻次數(shù)的計(jì)算值由監(jiān)測(cè)結(jié)果的波形數(shù)得到。通過(guò)定義相對(duì)誤差,可以評(píng)估系統(tǒng)計(jì)算值的可信度。漏幀率為漏幀數(shù)與總幀數(shù)的比值。由表2可知,由監(jiān)測(cè)算法計(jì)算的呼吸及反芻次數(shù)與真實(shí)值相比,具有較高的一致性,其中呼吸平均相對(duì)誤差為2.60%,呼吸最大相對(duì)誤差為6.67%,反芻平均相對(duì)誤差為3.51%,反芻最大相對(duì)誤差為4.76%,平均漏幀率為2.49%。綜上結(jié)果表明,本文方法能同步監(jiān)測(cè)奶山羊的呼吸及反芻行為,對(duì)靜臥奶山羊具有較高的跟蹤精度。

表2 靜臥奶山羊呼吸次數(shù)、反芻次數(shù)、相對(duì)誤差和漏幀率

從表2中可以看出,不同奶山羊的呼吸頻率和反芻頻率具有差異。以表1中第Ⅵ、Ⅴ段的音頻數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)圖10第Ⅵ、Ⅴ號(hào)奶山羊)為例,呼吸及反芻追蹤結(jié)果繪制的時(shí)間-頻率曲線如圖11所示。通過(guò)觀察該曲線可以發(fā)現(xiàn),即使在奶山羊呼吸頻率及反芻頻率相差較大時(shí),系統(tǒng)仍能穩(wěn)定追蹤。

圖11 Ⅴ、Ⅵ號(hào)奶山羊時(shí)間-頻率曲線

3.2 奶山羊朝向?qū)ΡO(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

奶山羊不同朝向下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示,從表3中可以看出,奶山羊側(cè)朝聲波收發(fā)設(shè)備與正朝設(shè)備的監(jiān)測(cè)結(jié)果沒有明顯差別。Ⅲ、Ⅵ號(hào)羊背對(duì)聲波收發(fā)設(shè)備時(shí)漏幀率略有上升,平均漏幀率為5.05%。但相較于其它朝向,Ⅲ、Ⅵ號(hào)羊呼吸平均相對(duì)誤差為3.34%,反芻平均相對(duì)誤差為3.21%,沒有明顯的呼吸和反芻相對(duì)誤差偏差,滿足實(shí)際圈舍環(huán)境下監(jiān)測(cè)的需求。這是因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境中存在豐富的聲學(xué)多徑反射效應(yīng),如1.1節(jié)中所述,即使被測(cè)羊只背朝聲波收發(fā)設(shè)備,拾音器也總能接收到經(jīng)過(guò)被測(cè)羊只胸脯部和嘴部間接反射的聲波信號(hào),因此系統(tǒng)對(duì)被測(cè)羊只的朝向具有較強(qiáng)的魯棒性。

表3 靜臥奶山羊不同朝向下的相對(duì)誤差和漏幀率

漏幀率略有上升的推斷原因是,當(dāng)奶山羊背對(duì)著聲波收發(fā)設(shè)備時(shí),拾音器在某一幀時(shí)刻下收到的回波中,包含呼吸和反芻運(yùn)動(dòng)的有效多徑信號(hào)較少,導(dǎo)致挑選不出符合規(guī)則的Si。

3.3 環(huán)境噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

與無(wú)干擾環(huán)境中的羊只相比,環(huán)境中存在其它羊叫聲干擾的Ⅵ號(hào)羊、音樂(lè)聲干擾的Ⅲ號(hào)羊和雨聲干擾的Ⅶ號(hào)羊,呼吸反芻監(jiān)測(cè)漏幀率及呼吸反芻相對(duì)誤差并無(wú)明顯差別,如表4所示。

表4 靜臥奶山羊不同噪聲下的相對(duì)誤差和漏幀率

原因有兩方面。首先,與動(dòng)物聲音特征分析的方法不同,本文是通過(guò)雷達(dá)原理,測(cè)量羊只呼吸和反芻過(guò)程中胸部及嘴部的周期性運(yùn)動(dòng),完全不依賴于羊只自身發(fā)出的任何聲音。揚(yáng)聲器發(fā)送特定聲波信號(hào),聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)靜態(tài)環(huán)境及被測(cè)羊只發(fā)生一次或多次反射,最終被拾音器收到。另一方面,由于發(fā)送的超聲波頻段為38～40 kHz,遠(yuǎn)超普通噪聲頻段,再結(jié)合通帶為38～40 kHz的帶通濾波器可以很好地在接收端屏蔽外界環(huán)境噪聲。因此系統(tǒng)對(duì)環(huán)境噪聲的抗干擾能力較強(qiáng)。

4 結(jié)論

(1)該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)單只靜臥奶山羊呼吸及反芻行為的同步監(jiān)測(cè)。同時(shí)該方法對(duì)不同朝向的奶山羊魯棒,對(duì)環(huán)境噪聲具有較強(qiáng)的抗干擾能力。表明利用聲學(xué)沖激響應(yīng)實(shí)現(xiàn)奶山羊呼吸及反芻的同步監(jiān)測(cè)是可行的。

(2)該方法能準(zhǔn)確地對(duì)靜臥奶山羊的呼吸及反芻行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中,呼吸平均相對(duì)誤差為2.60%,反芻平均相對(duì)誤差為3.51%,平均漏幀率為2.49%。