小动物超声采集智能分析系统・产品特色技术解析

本系统面向实验啮齿类动物超声发声（USV）采集与离线智能解析，采用采集硬件与分析软件解耦架构：硬件负责原始声学信号采集、数字化、传输存储；AI 分析模块独立部署，支持后续迭代升级。系统为双声道同步采集架构，适配大小鼠社交、应激、幼崽分离呼救等 USV 实验范式，同时兼容可听声与超声频段生物声学记录。

1. 双路同步采集架构

系统提供两路独立模拟采集通道，双通道严格同步采样，时间戳同源对齐。双路配置支持两类典型实验：①配对动物同笼实验，基于双通道声信号开展声源位置估算，初步区分两只个体的超声发声归属；②同一动物多点拾音，提升弱信号检出概率。两路通道具备通道一致性校准机制，减少幅相偏差，降低后续频谱特征、声压定量分析的系统误差。通道硬件独立，可分别配置增益，适配笼内空间声场不均匀场景。

2. 宽频采集带宽：20 Hz～192 kHz

系统模拟前端有效响应带宽覆盖 20 Hz～192 kHz，采样速率匹配奈奎斯特准则，完整覆盖大鼠 22 kHz/40 kHz/50 kHz、小鼠 30–110 kHz 超声发声区间，同时保留可听声基线噪声信息。

• 低频段（20 Hz–20 kHz）：记录环境背景噪声、动物可听叫声，用于基线噪声评估；
• 超声段（>20 kHz）：完整捕获啮齿类调频 / 恒频超声音节的频谱与时域细节，保留 FM 扫频、脉冲间隔、主频、带宽等用于论文量化的声学特征；
• 192kHz 采样上限可满足绝大多数大小鼠 USV 范式，也可拓展用于两栖类、昆虫生物声学采集。

3. 最高 70dB 模拟前端高增益设计

集成低噪声前置放大电路，增益最高可达 70dB，增益可分级配置。针对小动物 USV 信号弱、笼盒环境信噪比低的特点，前置放大在 ADC 之前完成信号放大，降低量化噪声占比，提升微弱超声脉冲检出能力。 电路设计兼顾动态范围：高增益档位用于远距离、弱声信号采集；低增益档位避免近距离强信号饱和削波。增益参数随原始音频文件附带元数据保存，保证声压定量计算可溯源，满足学术论文方法学描述要求。

4. AI 基线自适应分析模块

AI 基线分析作为独立分析组件，不嵌入采集硬件，采用离线解析模式，支持后续算法迭代更新。核心作用为自适应背景基线估计与噪声抑制：

1. 基于长时频谱统计，动态学习笼内稳态背景基线（风机、空调、跑轮、饲养环境噪声），区别于固定阈值滤波；
2. 动态阈值分割，区分 USV 超声事件与环境噪声，检出超声发声片段；
3. 自动提取基础声学参数：音节起止时间、主频、带宽、脉冲时长、脉冲间隔；
4. 输出结构化 CSV 特征表 + 频谱图，原始 wav 文件与分析结果一一绑定；

说明：当前 AI 基线模块以噪声基线校正、事件检出为主；声源归属、USV 音节精细分类等高级功能将在后续软件版本迭代扩充。采集硬件输出原始无损音频，不丢失原始波形，保证后期可使用第三方软件重新分析。

5. 网口高速数据传输架构

采用以太网网口传输数字化声学数据流，区别于 USB 短距方案。

• 支持长距离布线，可将采集主机放置在实验室外，减少电子设备引入笼区电磁 / 声学噪声；
• 稳定持续传输双通道 192kHz 高采样率数据流，支持长时间连续录制（数小时～多天），无丢包、时间戳漂移问题；
• 数据传输协议附带帧级时间戳，可与外部设备（行为采集、动物电生理 EEG/EMG）做硬件同步触发，实现多模态信号时序对齐；
• 原始音频数据可直接存储至本地磁盘或网络存储，文件格式标准化，便于离线 AI 分析软件导入。

6. 采集与分析解耦体系

硬件单元仅完成信号调理、AD 采样、数据流上传与原始音频存储，采集端不执行复杂 AI 运算。原始波形、通道参数、增益、时间戳、麦克风校准信息全部写入配套元数据文件。

• 优势：采集硬件固件简化，稳定性更高；硬件定型后，AI 基线算法、事件识别模型、分类模型可独立迭代升级；
• 工作流程：硬件采集保存原始 wav → 数据通过网口上传 → 导入独立 AI 分析软件 / 提交后台代分析 → 输出检出事件与量化指标；
• 可扩展性：硬件预留通道与同步接口，未来可扩展多通道阵列拾音；分析软件可按需增加声源定位、多模态时间对齐、统计绘图模块。

7. 适用实验场景

• 大小鼠 USV 检测：幼崽母子分离呼救、成年个体社交求偶超声、奖赏 / 应激状态超声发声；
• 神经精神模型（自闭症、疼痛、PTSD、成瘾）行为学辅助指标采集；
• 动物福利声学评价；
• 拓展场景：蛙类、昆虫、小型哺乳动物生物声学采集。