水下声学与压力配合的船舶探测装置及其探测方法与流程

本发明属于船舶探测技术领域，具体涉及一种水下声学与压力配合的船舶探测装置及其探测方法。

背景技术：

现有的船舶探测方法，主要包括视频监控、主动声学探测、被动声学探测、ais自动识别系统和合成孔径雷达遥感探测。

视频监控利用摄像机对所监测区域进行拍摄，并利用人工监视或机器视觉等方法以确定是否存在船舶。主动声学探测方法利用声波发生装置在一定范围内发射声波，并对其反射声波进行接收、计算，判断是否存在目标船只。ais自动识别系统是安装在船舶上的一套自动追踪系统，借由与邻近船舶、ais岸台、以及卫星等设备交换电子资料，并且供船舶交通管制(vts)辨识及定位。合成孔径雷达遥感探测利用遥感技术对船只航行时所产生的船行波进行识别，通过视觉识别方法确定船只位置及路径。

以上方法均存在一些不足，视频监控对照明及天气条件要求较高；主动声学探测需要向探测区域连续发射声波，一定频率范围内的声波会对水中生物造成伤害；被动声学探测受环境噪声影响较大，且信号处理较为复杂，探测准确率较低；ais自动识别系统需要在船只上主动安装通讯设备，并不适用于探测用途；合成孔径雷达遥感探测成本较高，实施起来需要一定条件。为达到更为经济有效的探测方法，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水下声学与压力配合的船舶探测装置及其探测方法。

本发明水下声学与压力配合的船舶探测装置，包括综合控制单元和m个探测装置。所述的探测装置包括节点信息处理单元及n个压力探测单元，m≤6，n≤4。

所述的压力探测单元包括压力传感器、第一ad转换模块、压力传感器控制模块、第一编码模块、第一通信模块、第一电池和第一电源控制模块。所述的压力传感器选用支持rs485协议的四线制扩散硅压力传感器。所述的第一电池为第一ad转换模块、压力传感器控制模块、第一编码模块和第一通信模块供电。所述压力传感器的电源输入端与压力传感器控制模块的输出端相连。所述的压力传感器控制模块控制压力传感器的通断电。压力传感器中的数据输出端与第一ad转换模块输入端连接；第一ad转换模块输出端与第一编码模块的输入端相连。所述第一编码模块的输出端与第一通信模块的第一输入端相连。所述第一通信模块的第二输入端与第一电源控制模块的电量信息输出端相连，输出端与压力传感器控制模块的输入端相连。所述第一电源控制模块的充电输出端与第一电池的输入端相连。

所述的节点信息处理单元包括水听器、第二ad转换模块、声音信号处理模块、第一存储模块、第一解码模块、第二编码模块、第二通信模块、压力信号处理模块、设备自检模块、波浪能发电模块、第二电池和第二电源控制模块。所述的第二电池为水听器、第二ad转换模块、声音信号处理模块、第一存储模块、第一解码模块、第二编码模块、第二通信模块、压力信号处理模块、设备自检模块及第二电源控制模块供电。所述水听器的输出端与第二ad转换模块的输入端连接。第二ad转换模块的输出端与声音信号处理模块的输入端相连；所述声音信号处理模块的第一输出端与第二通信模块第一输入端相连，第二输出端与第一存储模块输入端连接。第一存储模块的输出端与第二编码模块的第一输入端相连。第二通信模块的输出端与第一解码模块的输入端相连；第一解码模块的输出端与压力信号处理模块的输入端相连。所述压力信号处理模块的输出端与第二编码模块的第二输入端相连。第二编码模块的输出端与第二通信模块的第二输入端。第二通信模块与设备自检模块相连。第二通信模块与第二电源控制模块相连。所述波浪能发电模块的输出端与第二电源控制模块的输入端相连。第二电源控制模块的充电输出端与第二电池的输入端相连。

所述的综合控制单元包括第三通信模块、第二解码模块、第三编码模块、第二存储模块、报警模块、无线传输模块、第三电池和太阳能充电模块。所述的第三电池为第三通信模块、第二解码模块、第三编码模块、第二存储模块、报警模块和无线传输模块供电。第三通信模块的输出端与第二解码模块的输入端相连。第二解码模块的第一输出端与报警模块的输入端相连，第二输出端与第二存储模块的输入端相连。第二存储模块的输出端与第三编码模块的输入端相连。第三编码模块的输出端与无线传输模块的输入端相连。无线传输模块与上位机相连。太阳能充电模块的充电输出端与第三电池的输入端相连。

m个节点信息处理单元沿海岸线依次排列相连，同一探测装置内的n个压力探测单元依次排列设置在对应节点信息处理单元远离海岸线的一侧。同一探测装置内所有压力探测单元的第一通信模块均与对应节点信息处理单元内的第二通信模块相连。同一探测装置内所有压力探测单元的第一电源控制模块均与对应节点信息处理单元内的第二电源控制模块相连。上一级节点信息处理单元的第二通信模块与下一级节点信息处理单元的第二通信模块相连。末端的节点信息处理单元内第二通信模块与综合控制单元内第三通信模块相连。

所述的第一通信模块、第二通信模块及第三通信模块均采用max485芯片。

所述的第一编码模块、第二编码模块及第三编码模块均采用ad9832芯片。

所述的第一解码模块及第二解码模块均采用cx20106a芯片。

所述的波浪能发电模块采用专利号为“cn201521392u”的实用新型专利中公开的“摇摆式水下波浪发电装置”。

所述的声音信号处理模块采用型号为adsp-21160的芯片。

所述的声音信号处理模块用于对数字声音信号进行计算分析，识别是否存在异常声音信号。

该水下声学与压力配合的船舶探测装置的探测方法具体如下：

步骤一、将m个探测装置按排列顺序编号，并对每个探测装置内的压力探测单元按排列顺序进行二级编号。每隔一小时，所有节点信息处理单元中的设备自检模块对与自身正常连接的压力探测单元数量进行一次检测。第i个探测装置的节点信息处理单元将自身以及前i-1个探测装置检测到的正常连接压力探测单元数量以“前导码+探测装置编号+正常连接数量+结尾”的格式依次发送给第i+1个探测装置。第n个探测装置的节点信息处理单元将自身以及前n-1个探测装置检测到的正常连接压力探测单元数量以“前导码+探测装置编号+正常连接数量+结尾”的格式依次发送给综合控制单元。

综合控制单元接收到f串数据，若f＜m，则报警模块报警，提示工作人员第m-f个探测装置与第m-f+1个探测装置之间的通讯发生故障。若f＝m，且f串数据中第e串的正常连接数量小于n，则报警模块报警，提示工作人员第e个探测装置中有压力探测单元发生故障。

所有节点信息处理单元内的波浪能发电模块通过第二电源控制模块持续为第二电池充电。所有压力探测单元内的第一电源控制模块持续对第一电池进行检测；若发现第一电池电量低于80％，则第一通信模块向对应的第二通信模块发送第一电池电量信息。第二电源控制模块检测第二电池的电量，若第二电池的电量多于第一电池，则暂停第二电池充电，开始对第一电池进行充电；若第二电池的电量少于第一电池，则继续第二电池进行充电。

若a-b号压力探测单元内的第一电池的电量小于30％，则该压力探测单元内第一通信模块将该第一电池的剩余电量以“前导码+压力探测单元编号+剩余电量+结尾”的格式发送给对应的第二通信模块。各级节点信息处理单元的第二通信模块将该剩余电量信息以“前导码+压力探测单元编号+剩余电量+结尾”的格式逐级上传，直至传输到综合控制单元的第三通信模块。综合控制单元接收到剩余电量信息后，报警模块报警，提示工作人员第a-b个压力探测单元内的第一电池电量过低。

若第c个探测装置内的第二电池的电池量小于30％，则该探测装置内第二通信模块将该第二电池的剩余电量以“前导码+探测装置编号+剩余电量+结尾”的格式逐级上传，直至传输到综合控制单元的第三通信模块。综合控制单元接收到剩余电量信息后，报警模块报警，提示工作人员第c个探测装置内的第二电池电量过低。

所有节点信息处理单元内的水听器持续检测声音信号，并传输给声音信号处理模块。声音信号处理模块对收到的声音信号进行分析计算。

步骤二、若第s个探测装置中的声音信号处理模块经分析计算后发现异常声音信号，则将该异常声音信号存入第一存储模块，并向对应的n个第一通信模块发送启动压力传感器命令。

步骤三、n个压力传感器控制模块分别控制对应的压力传感器启动。第一ad转换模块将压力传感器采集的压力模拟信号转变为压力数字信号。s-t号压力探测单元将自身的压力数字信号以“前导码+压力探测单元编号+压力数字信号+结尾”的格式发送给第s个探测装置的节点信息处理单元。节点信息处理单元一次接收到n串数据。节点信息处理单元根据小振幅波动理论将n串数据中的压力数字信号分别转换为n个表面波高数据并记录。节点信息处理单元连续h次接收到n串数据后，h＝300，求n个压力探测单元所得数据的相关系数ρjk(l)，j＝1,2,…,n-1，k＝j+1,j+2,…,n，l＝1,2,…,m-1：

其中，xj(r)为s-j号压力探测单元检测到的第r个表面波高数据；xk(r-l)为s-k号压力探测单元检测到的第r-l个表面波高数据。

若ρjk(l)＞0.8，则说明s-j号压力探测单元与s-k号压力探测单元检测到了同一个水波信号。

当s-q号压力探测单元检测到一个大于30cm的表面波高数据，则认为s-q号压力探测单元检测到一个有效水波信号。等待5min，若在这5min内，s-(q-1)号压力探测单元或s-(q+1)号压力探测单元检测到同一个有效水波信号；则再等待10min，若在这10min内，s-(q-1)号压力探测单元与s-(q+1)号压力探测单元中的另一个检测到同一个有效水波信号；认定有船舶进入或经过。

步骤四、关闭压力传感器。若认定有船舶进入或经过，则将有效水波信号对应的压力数字信号存入第一存储模块，各级节点信息处理单元的第二通信模块将该压力数字信号以“前导码+压力探测单元编号+压力数字信号+结尾”的格式逐级上传，直至传输到综合控制单元的第三通信模块。

步骤五、综合控制单元ⅲ的第二解码模块将接收到的压力数字信号解码存储到第二存储模块。第二存储模块将压力数字信号经第三编码模块编码后通过无线传输模块发送给上位机。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明利用水听器和压力传感器组成探测阵列，通过水听器进行水声初步探测，发现异常信号后激活压力传感器对水面波浪进行探测，从中辨别出船行波，有效的降低探测能耗，增加使用时间。

2、本发明中每个单元采用独立电池组供电，利用波浪能发电模块为电池充电，可实现水下长时间工作，减少电池更换次数。

3、本发明工作于水底，相对于其他放置在水面上的探测装置，具有更好的隐蔽性和安全性，不易被发现及损坏。

4、本发明可根据实际使用环境，由节点信息处理单元连接多个压力探测单元，多个节点信息处理单元串联组成探测阵列，适用于不同探测范围。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中压力探测单元系统框图；

图3为本发明中节点信息处理单元系统框图；

图4为本发明中综合控制单元系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，水下声学与压力配合的船舶探测装置，包括综合控制单元ⅲ和m个探测装置。探测装置包括节点信息处理单元ⅱ及n个压力探测单元ⅰ，m≤6，n≤4。

如图2所示，压力探测单元ⅰ包括压力传感器1、第一ad转换模块2、压力传感器控制模块3、第一编码模块4、第一通信模块5、第一电池6和第一电源控制模块7。压力传感器1选用支持rs485协议的四线制扩散硅压力传感器。第一电池6为充电电池，并为第一ad转换模块2、压力传感器控制模块3、第一编码模块4和第一通信模块5供电。压力传感器1的电源输入端与压力传感器控制模块3的输出端相连。压力传感器控制模块3控制压力传感器1的通断电。压力传感器1中的数据输出端与第一ad转换模块2输入端连接；第一ad转换模块2将压力传感器1测量的压力模拟信号转换为数字信号。第一ad转换模块2输出端与第一编码模块4的输入端相连。第一编码模块4的输出端与第一通信模块5的第一输入端相连。第一通信模块5的第二输入端与第一电源控制模块7的电量信息输出端相连，输出端与压力传感器控制模块3的输入端相连。第一电源控制模块7的充电输出端与第一电池6的输入端相连。

如图3所示，节点信息处理单元ⅱ包括水听器8、第二ad转换模块9、声音信号处理模块10、第一存储模块11、第一解码模块12、第二编码模块13、第二通信模块14、压力信号处理模块15、设备自检模块16、波浪能发电模块17、第二电池18和第二电源控制模块19。波浪能发电模块17采用专利号为“cn201521392u”的实用新型专利中公开的“摇摆式水下波浪发电装置”。声音信号处理模块10采用型号为adsp-21160的芯片。第二电池18为充电电池，并为水听器8、第二ad转换模块9、声音信号处理模块10、第一存储模块11、第一解码模块12、第二编码模块13、第二通信模块14、压力信号处理模块15、设备自检模块16及第二电源控制模块19供电。水听器8的输出端与第二ad转换模块9的输入端连接；第二ad转换模块9将水听器8测量的模拟声音信号转换为数字声音信号。第二ad转换模块9的输出端与声音信号处理模块10的输入端相连；声音信号处理模块10对数字声音信号进行计算分析，识别是否存在异常声音信号。声音信号处理模块10的第一输出端与第二通信模块14第一输入端相连，第二输出端与第一存储模块11输入端连接。第一存储模块11的输出端与第二编码模块13的第一输入端相连。第二通信模块14的输出端与第一解码模块12的输入端相连；第一解码模块12的输出端与压力信号处理模块15的输入端相连。压力信号处理模块15的输出端与第二编码模块13的第二输入端相连。第二编码模块13的输出端与第二通信模块14的第二输入端。第二通信模块14与设备自检模块16相连。第二通信模块14与第二电源控制模块19相连。波浪能发电模块17的输出端与第二电源控制模块19的输入端相连。第二电源控制模块19的充电输出端与第二电池18的输入端相连。

如图4所示，综合控制单元ⅲ包括第三通信模块20、第二解码模块21、第三编码模块22、第二存储模块23、太阳能充电模块24、报警模块25、无线传输模块26和第三电池27。第三电池27为充电电池，并为第三通信模块20、第二解码模块21、第三编码模块22、第二存储模块23、报警模块25和无线传输模块26供电。第三通信模块20的输出端与第二解码模块21的输入端相连。第二解码模块21的第一输出端与报警模块25的输入端相连，第二输出端与第二存储模块23的输入端相连。第二存储模块23的输出端与第三编码模块22的输入端相连。第三编码模块22的输出端与无线传输模块26的输入端相连。无线传输模块26与上位机相连。太阳能充电模块24的充电输出端与第三电池27的输入端相连。

m个节点信息处理单元ⅱ沿海岸线依次排列相连，同一探测装置内的n个压力探测单元ⅰ依次排列设置在对应节点信息处理单元ⅱ远离海岸线的一侧。同一探测装置内所有压力探测单元ⅰ的第一通信模块5均与对应节点信息处理单元ⅱ内的第二通信模块14相连。同一探测装置内所有压力探测单元ⅰ的第一电源控制模块7均与对应节点信息处理单元ⅱ内的第二电源控制模块19相连。上一级节点信息处理单元ⅱ的第二通信模块14与下一级节点信息处理单元ⅱ的第二通信模块14相连。末端的节点信息处理单元ⅱ内第二通信模块14与综合控制单元ⅲ内第三通信模块20相连。

第一通信模块5、第二通信模块14及第三通信模块20均采用max485芯片。第一编码模块4、第二编码模块13及第三编码模块22均采用ad9832芯片；第一解码模块12及第二解码模块21均采用cx20106a芯片。

该水下声学与压力配合的船舶探测装置的探测方法具体如下：

步骤一、将m个探测装置按排列顺序编号，并对每个探测装置内的压力探测单元ⅰ按排列顺序进行二级编号。每隔一小时，所有节点信息处理单元ⅱ中的设备自检模块16对与自身正常连接的压力探测单元ⅰ数量进行一次检测。第i个探测装置的节点信息处理单元ⅱ将自身以及前i-1个探测装置检测到的正常连接压力探测单元ⅰ数量以“前导码+探测装置编号+正常连接数量+结尾”的格式依次发送给第i+1个探测装置。第n个探测装置的节点信息处理单元ⅱ将自身以及前n-1个探测装置检测到的正常连接压力探测单元ⅰ数量以“前导码+探测装置编号+正常连接数量+结尾”的格式依次发送给综合控制单元ⅲ。

综合控制单元ⅲ接收到f串数据，若f＜m，则报警模块25报警，提示工作人员第m-f个探测装置与第m-f+1个探测装置之间的通讯发生故障。若f＝m，且f串数据中第e串的正常连接数量小于n，则报警模块25报警，提示工作人员第e个探测装置中有压力探测单元ⅰ发生故障。

所有节点信息处理单元ⅱ内的波浪能发电模块17通过第二电源控制模块19持续为第二电池18充电。所有压力探测单元ⅰ内的第一电源控制模块7持续对第一电池进行检测；若发现第一电池电量低于80％，则第一通信模块5向对应的第二通信模块14发送第一电池电量信息。第二电源控制模块19检测第二电池的电量，若第二电池18的电量多于第一电池6，则暂停第二电池18充电，开始对第一电池6进行充电；若第二电池的电量少于第一电池，则继续第二电池进行充电。

若a-b号压力探测单元ⅰ内的第一电池6的电量小于30％，则该压力探测单元ⅰ内第一通信模块5将该第一电池的剩余电量以“前导码+压力探测单元编号+剩余电量+结尾”的格式发送给对应的第二通信模块14。各级节点信息处理单元ⅱ的第二通信模块14将该剩余电量信息以“前导码+压力探测单元编号+剩余电量+结尾”的格式逐级上传，直至传输到综合控制单元ⅲ的第三通信模块。综合控制单元ⅲ接收到剩余电量信息后，报警模块25报警，提示工作人员第a-b个压力探测单元ⅰ内的第一电池电量过低。

若第c个探测装置内的第二电池18的电池量小于30％，则该探测装置内第二通信模块14将该第二电池的剩余电量以“前导码+探测装置编号+剩余电量+结尾”的格式逐级上传，直至传输到综合控制单元ⅲ的第三通信模块。综合控制单元ⅲ接收到剩余电量信息后，报警模块25报警，提示工作人员第c个探测装置内的第二电池电量过低。

所有节点信息处理单元ⅱ内的水听器8持续检测附近水域的声音信号，并传输给声音信号处理模块10。声音信号处理模块10对收到的声音信号进行分析计算。

步骤二、若第s个探测装置中的声音信号处理模块10经分析计算后发现附近水域出现异常声音信号，则将该异常声音信号存入第一存储模块，并向对应的n个第一通信模块5发送启动压力传感器命令。

步骤三、n个压力传感器控制模块3分别控制对应的压力传感器1启动。第一ad转换模块2将压力传感器1采集的压力模拟信号转变为压力数字信号。s-t号压力探测单元ⅰ将自身的压力数字信号以“前导码+压力探测单元编号+压力数字信号+结尾”的格式发送给第s个探测装置的节点信息处理单元ⅱ。节点信息处理单元ⅱ一次接收到n串数据。节点信息处理单元ⅱ的压力信号处理模块15根据小振幅波动理论将n串数据中的压力数字信号分别转换为n个表面波高数据并记录。节点信息处理单元ⅱ连续h次接收到n串数据后，h＝300，求n个压力探测单元ⅰ所得数据的相关系数ρjk(l)，j＝1,2,…,n-1，k＝j+1,j+2,…,n，l＝1,2,…,m-1：

其中，xj(r)为s-j号压力探测单元ⅰ检测到的第r个表面波高数据；xk(r-l)为s-k号压力探测单元ⅰ检测到的第r-l个表面波高数据。

若ρjk(l)＞0.8，则说明s-j号压力探测单元ⅰ与s-k号压力探测单元ⅰ检测到了同一个水波信号。

当s-q号压力探测单元ⅰ检测到一个大于30cm的表面波高数据，则认为s-q号压力探测单元ⅰ检测到一个有效水波信号。等待5min，若在这5min内，s-(q-1)号压力探测单元ⅰ或s-(q+1)号压力探测单元ⅰ检测到同一个有效水波信号；则再等待10min，若在这10min内，s-(q-1)号压力探测单元ⅰ与s-(q+1)号压力探测单元ⅰ中的另一个检测到同一个有效水波信号；认定有船舶进入或经过。

步骤四、关闭压力传感器1。若认定有船舶进入或经过，则将有效水波信号对应的压力数字信号存入第一存储模块，各级节点信息处理单元ⅱ的第二通信模块14将该压力数字信号以“前导码+压力探测单元编号+压力数字信号+结尾”的格式逐级上传，直至传输到综合控制单元ⅲ的第三通信模块。

步骤五、综合控制单元ⅲ的第二解码模块21将接收到的压力数字信号解码存储到第二存储模块23。第二存储模块23将压力数字信号经第三编码模块22编码后通过无线传输模块发送给上位机。