一种检测与识别的方法及系统与流程
本发明涉及海洋领域的水声信号处理方法，具体涉及一种基于物体落水的检测与识别的方法及系统。
背景技术：
水上飞机的水上着落、宇宙飞船的水上着落、空投鱼雷入水和海上救生艇抛落等物体落水问题，广泛存在于工程实际中。如果干扰物体落入一些被保护水域，落水物体将会对此水域造成安全威胁。因此，落水物体的检测和识别，对后续的落水物体定位跟踪，以及保护水域安全，具有关键的作用。
现阶段，物体落水检测的主要方法包括动力学方法、流场力学方法和声学方法，其中动力学检测识别物体落水方法容易受落水物体几何外形、边界条件和撞水冲击速度等的影响，流场的非线性变化、固体弹性带来的耦合等为流场力学方法检测识别物体落水带来了较大的困难，声学方法检测物体落水技术尚在研究发展中。
技术实现要素：
本发明的目的是实现能自适应的设定动态门限，实现检测；本发明提供的一种检测与识别的方法计算量较低，能够实现实时物体落水的检测和识别。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种检测与识别的方法，物体落水过程包括：冲击波形成区、寂静区和气泡形成区；该方法包括以下步骤:接收物体落水的信号，在预设时间段T内对落水信号进行时域对比分析，获得对比数据；根据对比数据设定检测动态门限，根据动态门限对落水信号进行判断，若落水信号是冲击波信号，则设定出现冲击波信号与气泡形成区之间的区域为寂静区Tq，根据寂静区Tq的信息对气泡脉动区进行时频分析获得分析数据，根据分析数据计算并确定落水信号位于气泡脉动形成阶段，获得气泡脉动形成阶段信息；若落水信号是冲击波信号以及根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则发出警报信息；若落水信号不是冲击波且不是根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则不发出警报信息。
优选地，在预设时间段T内对接收信号进行时域对比分析，获得对比数据的步骤中包括：将接收信号的幅度与背景噪声的幅度进行时域对比分析，获得对比数据。
优选地，根据对比数据设定检测动态门限的步骤中包括：采取分时间段处理落水信号，根据以下公式确定检测动态门限，公式如下:设定时间段为T，m为第m个时刻，时间段T内的数据点数为M,对第一时间段的信号进行取平均值S，可以表示为
kls≤x(ti)≤khs(i＝1,2,3,…,M)
根据平均值S设定动态门限，其中，接收到的时域信号为x(ti)(i＝1,2,3,…,N)，低门限为kls，高门限为khs，kl，kh是门限参数，动态门限参数与落水物体的形状，几何尺寸有关，根据设定的动态门限，对第二时间段内的波形数据进行检测，其中，时间段包括第一时间段、第二时间段、……第n时间段(n为正整数)。
优选地，根据分析数据计算并提取特征功率谱中的频率斜率信息的步骤中包括：对落水信号中的N点数据进行功率谱估计，分成P段进行处理，每段点数为K，则每P段的功率谱为：
其中，为归一化因子，w(n)为加窗系数，xp(n)为第P段的时域信号，ω为数字频率；J为每一时间段的功率谱，n为n个时间段；对P段的功率谱求平均值，得到总时间序列的功率谱为
根据背景噪声的功率谱为Pn(ω)以及根据落水信号计算得到的频率fl～fh之间，落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)做归一化处理并用分贝(dB)表示，分别比较落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)的频率斜率变化，其中Px(ω)相对于频率的变化斜率为hx，Pn(ω)相对于频率的变化斜率为hn，可以表示为：
设定动态门限U(dB)，若功率谱的频率变换满足下述公式，
|Px(fh)-Px(fl)|≥|Pn(fh)-Pn(fl)|*U(dB)，则认为落水信号位于气泡脉动形成阶段。
另一方面，本发明提供了一种检测与识别的系统，包括：获取模块、处理模块和反馈模块。
其中，获取模块，用于接收物体落水的信号，在预设时间段T内对落水信号进行时域对比分析，获得对比数据。
处理模块，用于根据对比数据设定检测动态门限，根据动态门限对落水信号进行判断，若落水信号是冲击波信号，则出现冲击波信号与气泡形成区之间的区域为寂静区Tq，根据寂静区Tq的信息对气泡脉动区进行时频分析获得分析数据，根据分析数据计算并定落水信号位于气泡脉动形成阶段，获得气泡脉动形成阶段信息。
反馈模块，用于若落水信号是冲击波信号以及根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则发出警报信息。
优选地，获取模块具体用于，将接收信号的幅度与背景噪声的幅度进行时域对比分析，获得对比数据。
优选地，处理模块具体用于，采取分时间段处理落水信号，根据以下公式确定检测动态门限，公式如下:设定时间段为T，m为第m个时刻，时间段T内的数据点数为M,对第一时间段的信号进行取平均值S，可以表示为
kls≤x(ti)≤khs(i＝1,2,3,…,M)
根据平均值S设定动态门限，其中，接收到的时域信号为x(ti)(i＝1,2,3,…,N)，低门限为kls，高门限为khs，kl，kh是门限参数，动态门限参数与落水物体的形状，几何尺寸有关，根据设定的动态门限，对第二时间段内的波形数据进行检测，其中，时间段包括第一时间段、第二时间段、……第n时间段(n为正整数)。
优选地，处理模块具体用于，对落水信号中的N点数据进行功率谱估计，分成P段进行处理，每段点数为K，则每P段的功率谱为：
其中，为归一化因子，w(n)为加窗系数，xp(n)为第P段的时域信号，ω为数字频率；J为每一时间段的功率谱，n为n个时间段；对P段的功率谱求平均值，得到总时间序列的功率谱为
根据背景噪声的功率谱为Pn(ω)以及根据落水信号计算得到的频率fl～fh之间，落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)做归一化处理并用分贝(dB)表示，分别比较落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)的频率斜率变化，其中Px(ω)相对于频率的变化斜率为hx，Pn(ω)相对于频率的变化斜率为hn，可以表示为：
设定动态门限U(dB)，若功率谱的频率变换满足下述公式，
|Px(fh)-Px(fl)|≥|Pn(fh)-Pn(fl)|*U(dB)，则认为落水信号位于气泡脉动形成阶段。
优选地，反馈模块具体用于，若落水信号不是冲击波且不是根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则不发出警报信息。
本发明提供的一种检测与识别的方法及系统，具体涉及声学信号的处理方法及系统，此方法及系统能自适应的设定动态门限，实现检测；此方法的计算量较低，能实现对落水物体实时的检测及识别。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种检测与识别的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种检测与识别的系统结构图；
图3为本发明实施例提供的一种检测与识别的方法应用流程图；
图4为本发明实施例提供的一种物体落水过程的时域波形图；
图5为本发明实施例提供的一种背景噪声的时域波形图；
图6为本发明实施例提供的一种物体落水的时频谱图；
图7为本发明实施例提供的一种物体落水信号与背景噪声的频谱对比图；
图8为本发明实施例提供的一种物体落水显示界面图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种检测与识别的方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种检测与识别的方法，包括步骤S101-S103:
其中，物体落水过程包括：冲击波形成区、寂静区和气泡形成区。出现冲击信号与气泡形成之间称作寂静区，寂静区的时间长度与根据落水物体的尺寸、几何形状等有关。
步骤S101：接收物体落水的信号，在预设时间段T内对落水信号进行时域对比分析，获得对比数据。
具体地，在预设时间段T内对接收信号进行时域对比分析，获得对比数据的步骤中包括：将接收信号的幅度与背景噪声的幅度进行时域对比分析，获得对比数据。
步骤S102：根据对比数据设定检测动态门限，根据动态门限对落水信号进行判断，若落水信号是冲击波信号，则设定出现冲击波信号与气泡形成区之间的区域为寂静区Tq，根据寂静区Tq的信息对气泡脉动区进行时频分析获得分析数据，根据分析数据计算并确定落水信号位于气泡脉动形成阶段，获得气泡脉动形成阶段信息。
具体地，根据对比数据设定检测动态门限的步骤中包括：采取分时间段处理落水信号，根据以下公式确定检测动态门限，公式如下:设定时间段为T，m为第m个时刻，时间段T内的数据点数为M,对第一时间段的信号进行取平均值S，可以表示为
kls≤x(ti)≤khs(i＝1,2,3,…,M)
根据平均值S设定动态门限，其中，接收到的时域信号为x(ti)(i＝1,2,3,…,N)，低门限为kls，高门限为khs，kl，kh是门限参数，动态门限参数与落水物体的形状，几何尺寸有关，根据设定的动态门限，对第二时间段内的波形数据进行检测，其中，时间段包括第一时间段、第二时间段、……第n时间段(n为正整数)。
优选地，根据分析数据计算并提取特征功率谱中的频率斜率信息的步骤中包括：对落水信号中的N点数据进行功率谱估计，分成P段进行处理，每段点数为K，则每P段的功率谱为：
其中，为归一化因子，w(n)为加窗系数，xp(n)为第P段的时域信号，ω为数字频率；J为每一时间段的功率谱，n为n个时间段；对P段的功率谱求平均值，得到总时间序列的功率谱为
根据背景噪声的功率谱为Pn(ω)以及根据落水信号计算得到的频率fl～fh之间，落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)做归一化处理并用分贝(dB)表示，分别比较落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)的频率斜率变化，其中Px(ω)相对于频率的变化斜率为hx，Pn(ω)相对于频率的变化斜率为hn，可以表示为：
设定动态门限U(dB)，若功率谱的频率变换满足下述公式，
|Px(fh)-Px(fl)|≥|Pn(fh)-Pn(fl)|*U(dB)，则认为落水信号位于气泡脉动形成阶段。
步骤S103：当落水信号是冲击波信号以及根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则发出警报信息。若当落水信号不是冲击波且不是根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则不发出警报信息。
图2为本发明实施例提供的一种检测与识别的系统结构图。如图2所示，该系统包括：获取模块201、处理模块202和反馈模块203。
其中，获取模块201，用于接收物体落水的信号，在预设时间段T内对落水信号进行时域对比分析，获得对比数据。
具体地，获取模块201具体用于，将接收信号的幅度与背景噪声的幅度进行时域对比分析，获得对比数据。
处理模块202，用于根据对比数据设定检测动态门限，根据动态门限对落水信号进行判断，若落水信号是冲击波信号，则设定出现冲击波信号与气泡形成区之间的区域为寂静区Tq，根据寂静区Tq的信息对气泡脉动区进行时频分析获得分析数据，根据分析数据计算并定落水信号位于气泡脉动形成阶段，获得气泡脉动形成阶段信息。
具体地，处理模块202具体用于，采取分时间段处理落水信号，根据以下公式确定检测动态门限，公式如下:设定时间段为T，m为第m个时刻，时间段T内的数据点数为M,对第一时间段的信号进行取平均值S，可以表示为
kls≤x(ti)≤khs(i＝1,2,3,…,M)
根据平均值S设定动态门限，其中，接收到的时域信号为x(ti)(i＝1,2,3,…,N)，低门限为kls，高门限为khs，kl，kh是门限参数，动态门限参数与落水物体的形状，几何尺寸有关，根据设定的动态门限，对第二时间段内的波形数据进行检测，其中，时间段包括第一时间段、第二时间段、……第n时间段(n为正整数)。
具体地，处理模块202具体用于，对落水信号中的N点数据进行功率谱估计，分成P段进行处理，每段点数为K，则每P段的功率谱为：
其中，为归一化因子，w(n)为加窗系数，xp(n)为第P段的时域信号，ω为数字频率；J为每一时间段的功率谱，n为n个时间段；对P段的功率谱求平均值，得到总时间序列的功率谱为
根据背景噪声的功率谱为Pn(ω)以及根据落水信号计算得到的频率fl～fh之间，落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)做归一化处理并用分贝(dB)表示，分别比较落水信号功率谱Px(ω)和背景噪声的功率谱Pn(ω)的频率斜率变化，其中Px(ω)相对于频率的变化斜率为hx，Pn(ω)相对于频率的变化斜率为hn，可以表示为：
设定动态门限U(dB)，若功率谱的频率变换满足下述公式，
|Px(fh)-Px(fl)|≥|Pn(fh)-Pn(fl)|*U(dB)，则认为落水信号位于气泡脉动形成阶段。
反馈模块203，用于当落水信号是冲击波信号以及根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则发出警报信息。
优选地，反馈模块203具体用于，若当落水信号不是冲击波且不是根据气泡脉动形成阶段信息对物体进行识别的条件，则不发出警报信息。
物体落水过程持续时间较短，一般情况下主要是分为三个阶段，物体的落水冲击，空腔的形成，气泡脉动的形成。物体的撞水冲击形成能量较大的冲击波，空腔的形成是一段信号较弱的寂静区，寂静区的时间长短与物体尺寸有关，气泡在正压力作用下，多数气泡产生膨胀、收缩、破裂等现象。
图3为本发明实施例提供的一种检测与识别的方法应用流程图。如图3所示，在距离物体落水的水平距离为L处，平行放置两个水听器，两个水听器同时接收信号，避免一个水听器损坏，影响物体落水检测识别的有效性，水听器距离水面的高度为H，水听器被动侦听物体落水过程。
对接收的落水信号时域波形进行分析，根据对比数据设定检测动态门限，根据动态门限对落水信号进行判断，若落水信号是冲击波信号，则设定此时间段为寂静区Tq，水听器接收到的时域信号为x(ti)(i＝1,2,3,…,N)，为了设定动态检测门限，接收信号的幅度需要与背景噪声的幅度进行比较。这里采取分时间段处理信号，设定时间段为T，此时间段内的数据点数为M。对某一时间段(可以视作第一时间段)的信号进行取平均值，可以表示为
根据平均值S设定动态门限，其中，接收到的时域信号为x(ti)(i＝1,2,3,…,N)，低门限为kls，高门限为khs，kl，kh是门限参数，动态门限参数与落水物体的形状，几何尺寸有关。
kls≤x(ti)≤khs(i＝1,2,3,…,M)
根据设定的动态门限，对下个时间段(可以视作第二时间段)内的波形数据进行检测，如果有波形数据在此动态门限范围内，即认为接收到的落水物体的信号为冲击波信号。
其中，如果再次对某一时间段(可以视作第三时间段)的信号进行取平均值，然后根据设定的动态门限，对下个时间段(可以视作第四时间段)内的波形数据进行检测。每个时间段内的均值基本不一样，即门限是动态设定的，自适应动态门限检测。
物体落水过程中存在一段时间的寂静区，根据落水物体的尺寸、几何形状，以及多次现场试验，总结得出寂静区的时间长度约为Tq。根据动态门限对落水信号进行判断，若落水信号是冲击波信号，则设定出现冲击波信号与气泡形成区之间的区域为寂静区Tq。接着对气泡脉动区进行分析，由于物体落水信号为瞬态非平稳信号，采用短时傅里叶变换对气泡脉动区进行时频分析，得出落水声的频率分布情况，根据接收到的物体落水信号分析得出频率主要分布在fl～fh之间。
对落水信号进行功率谱估计，分段重叠求得平均，减少谱估计的方差。对N点数据进行功率谱估计，分成P段进行处理，每段点数为K，则每p段的功率谱为
其中，为归一化因子，w(n)为加窗系数，xp(n)为第p段的时域信号，ω为数字频率，J为每一时间段的功率谱，n为n个时间段；
对P段的功率谱求平均，可以得到总时间序列的功率谱为
背景噪声，即前一时间段的数据也采用式(1)和(2)进行功率谱计算，同理估计出背景噪声的功率谱为Pn(ω)。
对根据接收到的物体落水信号分析计算得到的频率fl～fh之间，功率谱Px(ω)和Pn(ω)做归一化处理并用分贝(dB)表示，分别比较功率谱Px(ω)和Pn(ω)的频率斜率变化，其中Px(ω)相对于频率的变化斜率为hx，Pn(ω)相对于频率的变化斜率为hn，可以表示为
若落水信号位于气泡脉动形成阶段，Px(ω)随着频率的增长下降较快，即hx的绝对值远大于hn的绝对值。提取功率谱频率变化的特征量进行识别，设定一动态门限U(dB)，若若功率谱的频率变换满足下述公式，
|Px(fh)-Px(fl)|≥|Pn(fh)-Pn(fl)|*U(dB) (4)，
则认为落水信号位于气泡脉动形成阶段。
当落水信号是冲击波信号以及气泡处于气泡脉动形成阶段，若满足这两种设定条件，则认为有物体落水，进行报警，否则反之。每隔时间段为T，重复上述操作，实现对物体落水长时间实时检测。
图4为本发明实施例提供的一种物体落水过程的时域波形图。如图所示，在一个系统参数为：在长度为50米，宽度为15米，水深为10米的水池试验，抛扔一个圆柱形物体，圆柱物体距离水面的高度约为3米，采用标准水听器侦听圆柱体落水过程，设置水听器与圆柱物体落下处的水平距离约为2米，水听器距离水面的深度为2米。试验中抛落圆柱体多次，选取一次的试验结果作为数据来源。如图4表示物体落水过程的时域波形图。从图4得出圆柱体落水的过程，可分为3个阶段，撞水的冲击波，寂静区约为0.2秒，气泡脉动形成。
图5为本发明实施例提供的一种背景噪声的时域波形图。如图5所示，选取此实验的第一秒的数据为背景噪音，如图5所示，计算出此段背景噪音的均值约为0.01秒。
图6为本发明实施例提供的一种物体落水的时频谱图。如图6所示，对物体落水信号进行时频分析，视频结构分析如图6所示，与图4的物体落水时域波形比较可知，气泡脉动形成阶段的频率主要分布在2KHz-15KHz。
图7为本发明实施例提供的一种物体落水信号与背景噪声的频谱对比图。如图7所示，左边图为功率图，右边图为放大版功率图。
脉冲形成阶段的功率谱，与背景噪声的功率谱对比如图7所示。，从图7中可以看出，物体落水的气泡脉动形成阶段的功率谱在2kHz-15kHz之间的差值约为20dB，而背景噪声的功率谱在2kHz-15kHz之间的差值约为1dB，可以提取功率谱频率斜率作为特征量进行物体落水识别。
图8为本发明实施例提供的一种物体落水显示界面图。如图8所示，检测冲击波，识别气泡脉动形成，检测出此段波形有物体落水，落水时刻为第4.06s，可以及时报警。
物体落水检测识别界面如图8所示，检测出此段波形有物体落水，落水时刻为第4.06s。
本发明提供的一种检测与识别的方法及系统，具体涉及声学信号的处理方法及系统，此方法及系统能自适应的设定动态门限，实现检测；此方法的计算量较低，能实现对落水物体实时的检测及识别。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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