基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括光纖水聲傳感器陣列、光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊三個(gè)子模塊，其中，光纖傳感器陣列包括多個(gè)光纖水聲傳感器單元和通信光纜。河道中船只聲場(chǎng)信號(hào)由水聲傳感器單元接收后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過通信光纜傳輸至岸上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再傳送至計(jì)算機(jī)或信號(hào)處理控制板，由信號(hào)處理模塊計(jì)算輸出信號(hào)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河河道船只的流量、位置、航向、航速等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本發(fā)明提供了一種主動(dòng)的、適用性廣泛且抗干擾能力強(qiáng)的內(nèi)河河道全自動(dòng)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受天氣狀況限制，可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)河航道。
【專利說明】基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信號(hào)處理工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種通過處理接收到的光纖水聲傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)水域船只進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]基于光纖傳感器的水下探測(cè)可以遠(yuǎn)距監(jiān)測(cè)，快速獲取水中目標(biāo)特征，不易受自然環(huán)境限制，已被用于各國(guó)的近海海域安全防御。由于海洋水聲環(huán)境比內(nèi)河航道平坦、干凈，目前的水下光纖傳感器探測(cè)系統(tǒng)無法直接用于內(nèi)河航道監(jiān)測(cè)。
[0003]另一方面，很多地區(qū)內(nèi)河航運(yùn)交通繁忙，船只數(shù)量龐雜，缺少有效監(jiān)測(cè)，目前常用的河道監(jiān)測(cè)方式有以下幾種:基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、基于紅外成像系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、基于AIS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)。
[0004]但是傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式易受到不同客觀條件的限制，無法實(shí)現(xiàn)全天候、全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)，如視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖可在復(fù)雜背景中自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)嚴(yán)重依賴光照條件，僅適用于白天光照較好的情況下，黑夜、大霧都會(huì)嚴(yán)重影響其使用效果；紅外成像雖具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但其仍是一種基于半人工輔助的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目標(biāo)的獲取需要人工輔助才可以完成；AIS系統(tǒng)雖可以獲取較為全面和完整的船舶信息，但是它的監(jiān)測(cè)是被動(dòng)的，要求目標(biāo)船舶上必須安裝AIS設(shè)備且正常工作，這樣目標(biāo)船只的合作與否將會(huì)很大程度上影響到監(jiān)測(cè)結(jié)果；而人工監(jiān)測(cè)方法雖簡(jiǎn)單易行，但其結(jié)果也易受到觀察人員水平、責(zé)任心等主觀因素和天氣、觀察時(shí)間等客觀因素的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)目前內(nèi)河航道船只監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中面臨的問題，本發(fā)明提供了一種基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)河航道船只目標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)、定位、測(cè)向、測(cè)速等監(jiān)測(cè)功能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007]—種基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括至少兩條光纖水聲傳感器陣列、光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊，其中，每一條光纖水聲傳感器陣列均包括多個(gè)光纖水聲傳感器單元和一條通信光纜，光纖水聲傳感器單元接收河道中船只聲場(chǎng)信號(hào)后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過通信光纜傳輸至岸上光電轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)基站內(nèi)的端機(jī)中；光電轉(zhuǎn)換模塊包括光前置放大器、光功率放大器、光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集卡，通信光纜傳輸進(jìn)來的光信號(hào)依次經(jīng)過光前置放大器和光功率放大器后輸入光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過信號(hào)采集卡采集并解調(diào)，最后通過端機(jī)將解調(diào)后的信號(hào)通過同軸電纜傳輸至信號(hào)處理模塊，由信號(hào)處理模塊執(zhí)行監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河河道船只指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。
[0008]優(yōu)選地，所述光纖水聲傳感器陣列為兩條，兩條光纖水聲傳感器陣列分別布設(shè)在河床并垂直于河道，其中每一條陣列分別設(shè)有八個(gè)光纖水聲傳感器單元。
[0009]優(yōu)選地，所述信號(hào)處理模塊的監(jiān)測(cè)方法在計(jì)算機(jī)或信號(hào)處理控制板上執(zhí)行。
[0010]優(yōu)選地,所述船只指標(biāo)包括流量、位置、航向及航速。
[0011]優(yōu)選地，所述信號(hào)處理模塊執(zhí)行的監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟:
[0012]步驟1，提取輸入信號(hào)并校準(zhǔn)光纖水聲傳感器陣列；
[0013]步驟2，對(duì)輸入信號(hào)的峰值點(diǎn)進(jìn)行判決；
[0014]步驟3,動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)提取；
[0015]步驟4，根據(jù)步驟3中提取的動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)特征頻點(diǎn)提?。?br> [0016]步驟5，相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提取；
[0017]步驟6,對(duì)比度計(jì)算；
[0018]步驟7，船只數(shù)量、位置判斷；
[0019]步驟8,船只航向、航速判斷。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟1具體為，提取輸入的陣列信號(hào)，通過各個(gè)陣元間信號(hào)幅值間縱向?qū)Ρ群兔總€(gè)陣元與初始設(shè)置值之間橫向?qū)Ρ龋?zhǔn)陣列接收信號(hào)幅值。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟2具體為，利用擬合方法去除信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)，將輸入信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，取出聲壓級(jí)的峰值點(diǎn)，設(shè)定不同閾值剔除掉毛刺噪聲和不符合要求的峰值點(diǎn)。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟3和步驟4具體為，當(dāng)在某時(shí)刻步驟2判決該時(shí)刻為峰值點(diǎn)時(shí)，提取該峰值點(diǎn)時(shí)刻前后各10秒為一個(gè)時(shí)間段，加入滑動(dòng)窗函數(shù)做FFT(快速傅氏變換)提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)并存入動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣；設(shè)定門閾值，提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣中出現(xiàn)次數(shù)和能量值超過門閾值的特征頻點(diǎn)作為靜態(tài)特征頻點(diǎn)，存入靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟5具體為，光纖水聲傳感器陣列中任一光纖水聲傳感器單元在某時(shí)刻判決出現(xiàn)峰值點(diǎn)時(shí)，以該時(shí)刻為臨時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，提取其后一段時(shí)間內(nèi)所有光纖水聲傳感器單元判決出的峰值點(diǎn)，并存入相關(guān)峰值點(diǎn)元胞。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟6、步驟7和步驟8具體為，對(duì)相關(guān)峰值點(diǎn)元胞中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣兩兩之間進(jìn)行相似度判斷，根據(jù)其每個(gè)峰值點(diǎn)之間相似度的判決值，對(duì)步驟2中判別為峰值點(diǎn)的時(shí)刻河道上船只的數(shù)量和位置進(jìn)行判定，同時(shí)依據(jù)所判定位置和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，判定航向和航速。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0026]1、本發(fā)明解決了內(nèi)河航運(yùn)流量較大時(shí)，特別是多艘船只同時(shí)通過時(shí)的船只實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問題；
[0027]2、低耦合、低成本、監(jiān)測(cè)范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)，適合于在惡劣環(huán)境下對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)；
[0028]3、不需要人為輔助，可以在無需人為因素控制的情況下進(jìn)行全天候長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)；
[0029]4、本發(fā)明是一種主動(dòng)的、適用性廣泛且抗干擾能力強(qiáng)的內(nèi)河河道全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有不受天氣狀況限制、可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)河航道的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0031]圖1為基于光纖傳感器的水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0032]圖2為信號(hào)處理算法整體流程圖；
[0033]圖3為提取峰值點(diǎn)流程圖；
[0034]圖4為提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)流程圖；
[0035]圖5為提取靜態(tài)特征頻點(diǎn)的流程圖；
[0036]圖6為提取相關(guān)峰值點(diǎn)元胞流程圖；
[0037]圖7為判別數(shù)量和位置流程圖；
[0038]圖8為判別航向和航速流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0039]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0040]本實(shí)施例提供了一種基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括至少兩條光纖水聲傳感器陣列、光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊，其中，每一條光纖水聲傳感器陣列均包括多個(gè)光纖水聲傳感器單元和一條通信光纜，光纖水聲傳感器單元接收河道中船只聲場(chǎng)信號(hào)后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過通信光纜傳輸至岸上光電轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)基站內(nèi)的端機(jī)中；光電轉(zhuǎn)換模塊包括光前置放大器、光功率放大器、光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集卡，通信光纜傳輸進(jìn)來的光信號(hào)依次經(jīng)過光前置放大器和光功率放大器后輸入光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過信號(hào)采集卡采集并解調(diào)，最后通過端機(jī)將解調(diào)后的信號(hào)通過同軸電纜傳輸至信號(hào)處理模塊，由信號(hào)處理模塊執(zhí)行監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河河道船只指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。
[0041]進(jìn)一步地，所述光纖水聲傳感器陣列為兩條，兩條光纖水聲傳感器陣列分別布設(shè)在河床并垂直于河道，其中每一條陣列分別設(shè)有八個(gè)光纖水聲傳感器單兀。
[0042]進(jìn)一步地，所述信號(hào)處理模塊的監(jiān)測(cè)方法在計(jì)算機(jī)或信號(hào)處理控制板上執(zhí)行。
[0043]進(jìn)一步地,所述船只指標(biāo)包括流量、位置、航向及航速。
[0044]進(jìn)一步地，所述信號(hào)處理模塊執(zhí)行的監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟:
[0045]步驟1，提取輸入信號(hào)并校準(zhǔn)光纖水聲傳感器陣列；
[0046]步驟2，峰值點(diǎn)判決；
[0047]步驟3,動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)提??；
[0048]步驟4,靜態(tài)特征頻點(diǎn)提取；
[0049]步驟5，相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提??；
[0050]步驟6,對(duì)比度計(jì)算；
[0051]步驟7，船只數(shù)量、位置判斷；
[0052]步驟8,船只航向、航速判斷。
[0053]進(jìn)一步地，所述步驟1具體為，提取輸入的陣列信號(hào)，通過各個(gè)陣元間信號(hào)幅值間縱向?qū)Ρ群兔總€(gè)陣元與初始設(shè)置值之間橫向?qū)Ρ?，校?zhǔn)陣列接收信號(hào)幅值。
[0054]進(jìn)一步地，所述步驟2具體為，利用擬合方法去除信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)，將接入信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，取出聲壓級(jí)的峰值點(diǎn)，設(shè)定不同閾值剔除掉毛刺噪聲和不符合要求的峰值點(diǎn)。
[0055]進(jìn)一步地，所述步驟3和步驟4具體為，當(dāng)在某時(shí)刻步驟2判決該時(shí)刻為峰值點(diǎn)時(shí)，提取該峰值點(diǎn)時(shí)刻前后各10秒為一個(gè)時(shí)間段，加入滑動(dòng)窗函數(shù)做FFT提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)并存入動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣；設(shè)定門閾值，提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣中出現(xiàn)次數(shù)和能量值超過門閾值的特征頻點(diǎn)，存入靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣。
[0056]進(jìn)一步地，所述步驟5具體為，光纖水聲傳感器陣列中任一光纖水聲傳感器單元在某時(shí)刻判決出現(xiàn)峰值點(diǎn)時(shí)，以該時(shí)刻為臨時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，提取其后一段時(shí)間內(nèi)所有光纖水聲傳感器單元判決出的峰值點(diǎn)，并存入相關(guān)峰值點(diǎn)元胞。
[0057]進(jìn)一步地，所述步驟6、步驟7和步驟8具體為，對(duì)相關(guān)峰值點(diǎn)元胞中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣兩兩之間進(jìn)行相似度判斷，根據(jù)其每個(gè)峰值點(diǎn)之間相似度的判決值，對(duì)步驟2中判別為峰值點(diǎn)的時(shí)刻河道上船只的數(shù)量和位置進(jìn)行判定，同時(shí)依據(jù)所判定位置和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，判定航向和航速。
[0058]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例作進(jìn)一步地描述。
[0059]如圖1所示，本實(shí)施例提供的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括光纖水聲傳感器陣列、光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊三個(gè)子模塊。其中光纖水聲傳感器陣列為布設(shè)在河床并垂直于河道兩條光纖水聲傳感器陣列，每條陣列分別有八個(gè)水聲傳感器單元，傳感器陣列的通信光纜與岸上光電轉(zhuǎn)換模塊中基站內(nèi)的端機(jī)連接。
[0060]光電轉(zhuǎn)換模塊包括主要由光前置放大器和光功率放大器組成的放大電路、光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集卡，通信光纜傳輸進(jìn)來的輸入信號(hào)經(jīng)過放大電路輸入光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過信號(hào)采集卡采集并解調(diào)，最后用端機(jī)將解調(diào)好的信號(hào)通過同軸電纜傳輸至計(jì)算機(jī)或控制板上的信號(hào)處理模塊。
[0061]如圖2所示為信號(hào)處理模塊流程圖，具體實(shí)現(xiàn)步驟描述如下:
[0062]端機(jī)將解調(diào)好的信號(hào)通過同軸電纜傳輸至計(jì)算機(jī)或控制板上的信號(hào)處理模塊，每秒讀取一次由陣列傳輸信號(hào)，提取輸入的陣列信號(hào)，通過各個(gè)陣元間信號(hào)幅值間縱向?qū)Ρ群兔總€(gè)陣元與初始設(shè)置值之間橫向?qū)Ρ?，校?zhǔn)陣列接收信號(hào)幅值，并進(jìn)行以下步驟的操作:
[0063]步驟1，提取輸入信號(hào)并校準(zhǔn)光纖水聲傳感器陣列；
[0064]步驟2，通過由圖3所示檢測(cè)峰值點(diǎn)子模塊檢測(cè)該時(shí)刻陣列傳輸來的信號(hào)是否存在峰值點(diǎn)，若存在峰值點(diǎn)，則繼續(xù)實(shí)施算法的后續(xù)部分；若不存在峰值點(diǎn)，調(diào)出該步驟，等待讀取后續(xù)輸入數(shù)據(jù)并檢測(cè)下一時(shí)刻是否存在峰值點(diǎn)；
[0065]承接步驟2，若檢測(cè)出該時(shí)刻存在峰值點(diǎn)，則下面將并行執(zhí)行兩路操作:
[0066]步驟3和步驟4,分別提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)和靜態(tài)特征頻點(diǎn)；
[0067]步驟5，提取相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提取，特征頻點(diǎn)提取一路操作為如圖4、圖5所示的提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)和提取靜態(tài)特征頻點(diǎn)，該路這兩部操作為串行操作，按順序依次進(jìn)行；另一路相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提取操作為如圖6所示的提取相關(guān)峰值點(diǎn)元胞；
[0068]步驟6，步驟3、4、5完成后，提取出的相關(guān)峰值點(diǎn)元胞中各個(gè)相關(guān)峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，計(jì)算各個(gè)相關(guān)峰值點(diǎn)的對(duì)比度值并存儲(chǔ)進(jìn)對(duì)比度矩陣中；
[0069]步驟7，提取步驟6對(duì)比度矩陣中的計(jì)算結(jié)果，對(duì)船只數(shù)量和位置信息進(jìn)行判定，判定結(jié)果存儲(chǔ)進(jìn)最終輸出矩陣中；
[0070]步驟8，由步驟4中提取的靜態(tài)特征矩陣和步驟7中的數(shù)量位置信息的判定結(jié)果，對(duì)船只的航向和航速進(jìn)行判定，判定結(jié)果存儲(chǔ)進(jìn)最終輸出矩陣中。
[0071]所述步驟2的流程圖如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)如下所述:先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，具體做法為利用最小二乘法擬合去除信號(hào)中的趨勢(shì)項(xiàng)，再對(duì)預(yù)處理之后的信號(hào)加入滑動(dòng)窗做FFT，隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，提取其30HZ 5000HZ能量作為功率譜能量估計(jì)，取出功率譜能量的峰值點(diǎn)，判斷該峰值點(diǎn)是否符合峰值點(diǎn)判定條件，判定條件如下所述:設(shè)定閾值1，對(duì)峰值點(diǎn)前后進(jìn)行時(shí)域能量值差分，若差分值大于閾值1，則認(rèn)為該峰值點(diǎn)為毛刺噪聲，判定為否，若不大于閾值1，則繼續(xù)后續(xù)判斷；設(shè)置閾值2，以峰值點(diǎn)為基點(diǎn)，以閾值2為范圍判斷峰值點(diǎn)周圍是否有大于其能量值的峰值點(diǎn)，若存在其他能量值更大的峰值點(diǎn)，則判定為否，若無其他更大能量值的峰值點(diǎn)，則繼續(xù)后續(xù)判斷；設(shè)置閾值3，判定該峰值點(diǎn)能量值是否大于閾值3，若小于閾值3，則判定為否，若大于閾值3，則判定該峰值點(diǎn)為船只經(jīng)過時(shí)峰值點(diǎn)。
[0072]所述步驟3、4、5的流程圖如圖4、圖5和圖6所示，其分為兩路并行操作，分別為特征頻點(diǎn)提取和相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提取，特征頻點(diǎn)提取具體實(shí)現(xiàn)如下所述:當(dāng)在某時(shí)刻步驟2判決該時(shí)刻為峰值點(diǎn)時(shí)，如圖4所示提取該峰值點(diǎn)時(shí)刻前后各10秒為一個(gè)時(shí)間段，以2秒為窗口寬度在該時(shí)域內(nèi)滑動(dòng)，每次滑動(dòng)均做一次FFT將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，以5HZ為頻域窗口在該頻域內(nèi)滑動(dòng)，將每次滑動(dòng)提取出窗口內(nèi)的頻率極值點(diǎn)存入動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，同時(shí)記錄下該特征頻點(diǎn)的能量值，若兩個(gè)相鄰的動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)之差小于3HZ，則取能量較大的一個(gè)特征頻點(diǎn)作為動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)，將另外一個(gè)特征頻點(diǎn)置零。動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣存儲(chǔ)完成后，如圖5所示將動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣中存儲(chǔ)的特征頻點(diǎn)提取出來按照頻率大小升序排列，對(duì)排序后的序列依次進(jìn)行檢測(cè)，首先判斷其是否為最低頻點(diǎn)，若不是最低頻點(diǎn)則跳過該頻點(diǎn)繼續(xù)對(duì)后面頻點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，后面檢測(cè)的頻點(diǎn)若同時(shí)符合終止點(diǎn)條件和起始點(diǎn)條件，則將該頻點(diǎn)存儲(chǔ)進(jìn)靜態(tài)特征頻點(diǎn)；若為最低頻點(diǎn)則判斷該頻點(diǎn)是否符合終止點(diǎn)條件，若符合該條件則判斷該點(diǎn)為靜態(tài)特征頻點(diǎn)并存儲(chǔ)進(jìn)靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，若不符合條件循環(huán)將返回至對(duì)排序后的序列檢測(cè)處繼續(xù)執(zhí)行。
[0073]相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提取步驟如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)如下所述:當(dāng)陣列中任一水聽器在某時(shí)刻判決出現(xiàn)峰值點(diǎn)時(shí)，以該時(shí)刻為時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，提取其后6秒時(shí)間的所有水聽器判決出的峰值點(diǎn)，對(duì)存在峰值點(diǎn)的水聽器序號(hào)進(jìn)行升序排序，判斷該序列中是否連續(xù)，若序列連續(xù)則將其依次存儲(chǔ)進(jìn)相關(guān)峰值點(diǎn)元胞，若序列不連續(xù)則依次將連續(xù)的峰值點(diǎn)存儲(chǔ)進(jìn)不同的相關(guān)峰值點(diǎn)元胞
[0074]所述步驟6、7的流程圖如圖7所示，具體實(shí)現(xiàn)如下所述:對(duì)相關(guān)峰值點(diǎn)矩陣中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣兩兩之間進(jìn)行相似度判斷，根據(jù)峰值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和其每?jī)蓚€(gè)峰值點(diǎn)之間相似度的判決值，判定該時(shí)刻河道上船只的數(shù)量和位置。
[0075]所述步驟8的流程圖如圖8所示，具體實(shí)現(xiàn)如下所示:提取步驟7中已判定的船只數(shù)量和位置信息，標(biāo)記出該條陣列船只和其靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，同時(shí)提取另一條陣列中在該時(shí)刻前后2分鐘內(nèi)所有船只峰值點(diǎn)時(shí)刻和靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，判斷這2分鐘內(nèi)的船只空間是否在合理的范圍內(nèi)，若不在合理空間范圍內(nèi)，則忽略該船只特征頻點(diǎn)矩陣；若在合理范圍內(nèi)，則取其對(duì)比度最大值作為航向判別依據(jù)，據(jù)此判斷航向和航速。
[0076]本實(shí)施例具體為:
[0077]一種基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括光纖水聲傳感器陣列、光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊三個(gè)子模塊。其中，光纖水聲傳感器陣列由兩列通信光纜和多個(gè)水聲傳感器單元組成，每一列光纖水聲傳感器陣列通過通信光纜連接多個(gè)水聲傳感器單元，河道中船只聲場(chǎng)信號(hào)由水聲傳感器單元接收后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過通信光纜傳輸至岸上輸入至光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊由光前置放大器、光功率放大器、光電轉(zhuǎn)換器、信號(hào)采集卡組成，由通信光纜傳輸進(jìn)來的輸入信號(hào)經(jīng)過放大電路輸入光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過信號(hào)采集卡采集并解調(diào)，最后用端機(jī)將解調(diào)好的信號(hào)通過同軸電纜傳輸至計(jì)算機(jī)或信號(hào)處理控制板上的信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊通過監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河河道船只的流量、位置、航向、航速等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。所述監(jiān)測(cè)方法步驟如下:
[0078]步驟1，提取輸入信號(hào)并校準(zhǔn)陣列；
[0079]步驟2，峰值點(diǎn)判決；
[0080]步驟3,動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)提取；
[0081]步驟4,靜態(tài)特征頻點(diǎn)提??；
[0082]步驟5，相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提??；
[0083]步驟6,對(duì)比度計(jì)算；
[0084]步驟7，船只數(shù)量、位置判斷；
[0085]步驟8,船只航向、航速判斷。
[0086]所述步驟1的具體實(shí)現(xiàn)如下:提取輸入的陣列信號(hào)，通過各個(gè)陣元間信號(hào)幅值間縱向?qū)Ρ群兔總€(gè)陣元與初始設(shè)置值之間橫向?qū)Ρ龋?zhǔn)陣列接收信號(hào)幅值。
[0087]所述步驟2的具體實(shí)現(xiàn)如下:利用最小二乘法去除信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)，將接入信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，提取其30HZ-5000HZ能量作為聲壓級(jí)，取出聲壓級(jí)的峰值點(diǎn)；設(shè)定閾值1，通過時(shí)域能量值差分剔除掉信號(hào)中的毛刺噪聲；設(shè)置閾值2，通過窗口滑動(dòng)平均處理剔除掉峰值點(diǎn)前后的不穩(wěn)定點(diǎn)；設(shè)置閾值3，剔除掉能量較小的峰值點(diǎn)。剩余峰值點(diǎn)判定為船只經(jīng)過時(shí)峰值點(diǎn)。
[0088]所述步驟3的具體實(shí)現(xiàn)如下:當(dāng)在某時(shí)刻步驟2判決該時(shí)刻為峰值點(diǎn)時(shí)，提取該峰值點(diǎn)時(shí)刻前后各10秒為一個(gè)時(shí)間段，以2秒為時(shí)域窗口在該時(shí)域內(nèi)滑動(dòng)，每次滑動(dòng)均做一次FFT將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，以5HZ為頻域窗口在該頻域內(nèi)滑動(dòng)，將每次滑動(dòng)提取出窗口內(nèi)的頻率極值點(diǎn)存入動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣。
[0089]所述步驟4的具體實(shí)現(xiàn)如下:設(shè)定門閾值4，提取步驟3中出現(xiàn)次數(shù)和能量值超過門閾值的特征頻點(diǎn)，存入靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣。
[0090]所述步驟5的具體實(shí)現(xiàn)如下:當(dāng)陣列中任一水聽器在某時(shí)刻判決出現(xiàn)峰值點(diǎn)時(shí)，以該時(shí)刻為時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，提取其后6秒時(shí)間的所有水聽器判決出的峰值點(diǎn)，并存入相關(guān)峰值點(diǎn)元胞。
[0091]所述步驟6、7的具體實(shí)現(xiàn)如下:對(duì)相關(guān)峰值點(diǎn)元胞中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣兩兩之間進(jìn)行對(duì)比度計(jì)算，根據(jù)其每?jī)蓚€(gè)峰值點(diǎn)之間對(duì)比度的計(jì)算值，判定步驟2中判別為峰值點(diǎn)的時(shí)刻河道上船只的數(shù)量和位置。
[0092]所述步驟8的具體實(shí)現(xiàn)如下:判別出一條陣列中船只數(shù)量后，標(biāo)記出某一時(shí)刻經(jīng)過該條陣列船只和其靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，同時(shí)提取另一條陣列中在該時(shí)刻前后2分鐘內(nèi)所有船只峰值點(diǎn)時(shí)刻和靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，依次與原陣列船只進(jìn)行對(duì)比度計(jì)算，取其對(duì)比度最大值作為航向判別依據(jù)，據(jù)此判斷航向和航速。
[0093]本實(shí)施例提供的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有以下技術(shù)特點(diǎn):
[0094]1、解決了內(nèi)河航運(yùn)流量較大時(shí)，特別是多艘船只同時(shí)通過時(shí)的船只實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問題；
[0095]2、低耦合、低成本、監(jiān)測(cè)范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)，適合于在惡劣環(huán)境下對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0096]3、不需要人為輔助，可以在無需人為因素控制的情況下進(jìn)行全天候長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)；
[0097]4、本實(shí)施例是一種主動(dòng)的、適用性廣泛且抗干擾能力強(qiáng)的內(nèi)河河道全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有不受天氣狀況限制、可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)河航道的特點(diǎn)。
[0098]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括至少兩條光纖水聲傳感器陣列、光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊，其中，每一條光纖水聲傳感器陣列均包括多個(gè)光纖水聲傳感器單元和一條通信光纜，光纖水聲傳感器單元接收河道中船只聲場(chǎng)信號(hào)后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過通信光纜傳輸至岸上光電轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)基站內(nèi)的端機(jī)中；光電轉(zhuǎn)換模塊包括光前置放大器、光功率放大器、光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集卡，通信光纜傳輸進(jìn)來的光信號(hào)依次經(jīng)過光前置放大器和光功率放大器后輸入光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過信號(hào)采集卡采集并解調(diào)，最后通過端機(jī)將解調(diào)后的信號(hào)通過同軸電纜傳輸至信號(hào)處理模塊，由信號(hào)處理模塊執(zhí)行監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河河道船只指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖水聲傳感器陣列為兩條，兩條光纖水聲傳感器陣列分別布設(shè)在河床并垂直于河道，其中每一條陣列分別設(shè)有八個(gè)光纖水聲傳感器單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)處理模塊的監(jiān)測(cè)方法在計(jì)算機(jī)或信號(hào)處理控制板上執(zhí)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述船只指標(biāo)包括流量、位置、航向及航速。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)處理模塊執(zhí)行的監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟: 步驟I，提取輸入信號(hào)并校準(zhǔn)光纖水聲傳感器陣列； 步驟2，對(duì)輸入信號(hào)的峰值點(diǎn)進(jìn)行判決； 步驟3，動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)提??； 步驟4，根據(jù)步驟3中提取的動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)特征頻點(diǎn)提??； 步驟5，相關(guān)峰值點(diǎn)元胞提??； 步驟6，對(duì)比度計(jì)算； 步驟7，船只數(shù)量、位置判斷； 步驟8,船只航向、航速判斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟I具體為，提取輸入的陣列信號(hào)，通過各個(gè)陣元間信號(hào)幅值間縱向?qū)Ρ群兔總€(gè)陣元與初始設(shè)置值之間橫向?qū)Ρ?，校?zhǔn)陣列接收信號(hào)幅值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟2具體為，利用擬合方法去除信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)，將輸入信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，取出聲壓級(jí)的峰值點(diǎn)，設(shè)定不同閾值剔除掉毛刺噪聲和不符合要求的峰值點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟3和步驟4具體為，當(dāng)在某時(shí)刻步驟2判決該時(shí)刻為峰值點(diǎn)時(shí)，提取該峰值點(diǎn)時(shí)刻前后各10秒為一個(gè)時(shí)間段，加入滑動(dòng)窗函數(shù)做快速傅氏變換提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)并存入動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣；設(shè)定門閾值，提取動(dòng)態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣中出現(xiàn)次數(shù)和能量值超過門閾值的特征頻點(diǎn)作為靜態(tài)特征頻點(diǎn)，存入靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟5具體為，光纖水聲傳感器陣列中任一光纖水聲傳感器單元在某時(shí)刻判決出現(xiàn)峰值點(diǎn)時(shí)，以該時(shí)刻為臨時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，提取其后一段時(shí)間內(nèi)所有光纖水聲傳感器單元判決出的峰值點(diǎn)，并存入相關(guān)峰值點(diǎn)元胞。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖水聲傳感器陣列的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟6、步驟7和步驟8具體為，對(duì)相關(guān)峰值點(diǎn)元胞中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣兩兩之間進(jìn)行相似度判斷，完成對(duì)比度計(jì)算，根據(jù)其每個(gè)峰值點(diǎn)之間相似度的判決值，對(duì)步驟2中判別為峰值點(diǎn)的時(shí)刻河道上船只的數(shù)量和位置進(jìn)行判定，同時(shí)依據(jù)所判定位置和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特征頻點(diǎn)矩陣，判定航向和航速。
【文檔編號(hào)】G08C23/06GK104408973SQ201410681597
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】陳靖峰, 耿軍平, 梁仙靈, 金榮洪, 段陸洋 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)