一种水下智能避障声呐系统与障碍物检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下避障领域，特别涉及一种水下智能避障声呐系统与障碍物检测方 法。
【背景技术】
[0002] 随着自动控制，电子计算机和能源技术的快速发展，水下无人航行器的应用越来 越广泛。自主智能避障是水下无人航行器在水下活动时的一个关键。为了保障水下无人航 行器的航行安全，水下无人航行器大都配备避障声呐。
[0003] 当水下无人航行器在近岸活动时，避障声呐受船只航行造成的水下气泡影响非常 大，经常会将气泡带误报为障碍物，从而形成虚警。现有避障声呐大都采用阈值比较方式判 定是否为障碍物。由于气泡的目标强度较高，声波遇到气泡后会有较强的回波，通过阈值判 定会造成虚警和误判。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有的避障声呐容易将气泡误报为障碍物的缺陷，从而提 供一种能有效避免气泡带形成的虚警问题的避障声呐系统与障碍物检测方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种水下智能避障声呐系统，包括：声波发射模 块、声波接收模块以及数据处理模块；其中，
[0006] 所述声波发射模块用于在水下发射指定形式的声波信号；所述声波接收模块用于 在水下接收指定形式的声波信号；所述数据处理模块用于对接收到的声波信号进行处理， 包括：构造回波信号的非线性特征，根据所述非线性特征抑制气泡回波噪声，以及检测回波 信号中的局部波峰，通过对局部波峰宽度的计算实现障碍物检测。
[0007] 上述技术方案中，所述声波发射模块包括发射换能器和发射机，由发射机产生的 指定形式的声波信号经发射换能器转换后发射出去。
[0008] 上述技术方案中，所述声波接收模块包括接收机和接收换能器；所述接收换能器 用于将声信号转换为电信号，所述接收机用于将电信号进行调理放大，并将模拟信号转换 为数字信号。
[0009] 本发明还提供了基于所述的水下智能避障声呐系统所实现的障碍物检测方法，包 括：
[0010] 步骤1)、发射声波信号；
[0011] 步骤2)、接收所发射声波信号的回波信号；
[0012] 步骤3)、构造所接收的回波信号的非线性特征，利用该非线性特征作为度量算子 抑制气泡回波噪声；
[0013] 步骤4)、根据经过步骤3)处理的回波信号实现障碍物检测。
[0014] 上述技术方案中，在所述步骤1)中，所发射的声波信号为一组声波信号，其发射周 期为T，发射脉冲数为N ;当发射脉冲数N为2时，所述发射信号采用如下表示：
[0015] s (t) =p (t) -p (t- Δ )
[0016] 其中，λ表示同一周期两个脉冲之间的间隔；p(t)为任意信号形式。
[0017] 上述技术方案中，在所述步骤2)中，声波发射完成后，延迟一定的时间τ，开始接 收声信号；所接收的声信号e(t)采用如下表达式：
【主权项】
1. 一种水下智能避障声呐系统，其特征在于，包括：声波发射模块、声波接收模块以及 数据处理模块；其中， 所述声波发射模块用于在水下发射指定形式的声波信号；所述声波接收模块用于在水 下接收指定形式的声波信号；所述数据处理模块用于对接收到的声波信号进行处理，包括： 构造回波信号的非线性特征，根据所述非线性特征抑制气泡回波噪声，以及检测回波信号 中的局部波峰，通过对局部波峰宽度的计算实现障碍物检测。
2. 根据权利要求1所述的水下智能避障声呐系统，其特征在于，所述声波发射模块包 括发射换能器和发射机，由发射机产生的指定形式的声波信号经发射换能器转换后发射出 去。
3. 根据权利要求1所述的水下智能避障声呐系统，其特征在于，所述声波接收模块包 括接收机和接收换能器；所述接收换能器用于将声信号转换为电信号，所述接收机用于将 电信号进行调理放大，并将模拟信号转换为数字信号。
4. 基于权利要求1-3之一所述的水下智能避障声呐系统所实现的障碍物检测方法，包 括： 步骤1)、发射声波信号； 步骤2)、接收所发射声波信号的回波信号； 步骤3)、构造所接收的回波信号的非线性特征，利用该非线性特征作为度量算子抑制 气泡回波噪声； 步骤4)、根据经过步骤3)处理的回波信号实现障碍物检测。
5. 根据权利要求4所述的障碍物检测方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所发射的声 波信号为一组声波信号，其发射周期为T，发射脉冲数为N ;当发射脉冲数N为2时，所述发 射信号采用如下表示： s(t) = p(t)-p(t-A) 其中，Λ表示同一周期两个脉冲之间的间隔；p(t)为任意信号形式。
6. 根据权利要求5所述的障碍物检测方法，其特征在于，在所述步骤2)中，声波发射完 成后，延迟一定的时间τ，开始接收声信号；所接收的声信号e(t)采用如下表达式：
其中，dV表示声呐波束照射范围内的体积积分，R表示声呐基阵至空间点的距离，且R =Rt+!^，其中Rt为声呐发射基阵至空间点的距离，艮为声呐接收基阵至空间点的距离； 所接收的声信号e(t)进一步分解为： e(t) = e!(t)+e2(t)； 其中ei(t)和^⑴分别表示p(t)和-p(t-A)两组信号对应的回波。
7. 根据权利要求6所述的障碍物检测方法，其特征在于，所述步骤3)包括： 步骤3-1)、构造回波信号的非线性特征； 根据ei(t)和^⑴构造声呐回波信号的非线性特征度量，即非线性特征β为：
其中，L为信号能量算子，取包括绝对值和、平方和在内的形式； 步骤3-2)、气泡回波噪声抑制； 为了有效抑制气泡回波噪声，将之前所得到的回波信号的非线性特征作为度量算子对 回波信号进行抑制，抑制后的回波信号为： q^t) = e^t) X β (t) q2(t) = e2(t) X β (t)。
8. 根据权利要求7所述的障碍物检测方法，其特征在于，所述步骤3)还包括：在步骤 3-1)和步骤3-2)之间的、对非线性特征β (t)采用加窗滤波处理以滤除野值的步骤。
9. 根据权利要求7或8所述的障碍物检测方法，其特征在于，所述步骤4)包括： 步骤4-1)、信号预处理； 根据发射声波的信号形式，对回波Q1 (t)和q2(t)进行匹配滤波； 步骤4-2)、峰值检测；该步骤包括：采用二次差分的峰值提取脉冲信号的局部顶点，将 所述局部顶点所对应的峰值强度大于一设定参数的局部顶点作为回波局部峰值； 步骤4-3)、计算步骤4-2)检测到的波峰的宽度； 步骤4-4)、根据声波回波的峰的宽度，确定是否为障碍物。
10. 根据权利要求9所述的障碍物检测方法，其特征在于，所述步骤4-2)进一步包括： 步骤4-2-1)、声波接收完成后，将连续声信号q(t)转换为离散的q(i); 步骤4-2-2)、计算离散声信号的一次差分、一次差分符号、二次差分以及局部顶点；包 括： 采用下式计算信号的一次差分： (I1 (i) = q(i)-q(i-l)； 采用下式提取一次差分的符号： S1Q) = sign ((I1Q)); 采用下式计算信号的二次差分： s2 (i) = S1(I)-S1(I-I)； 根据下式提取局部顶点，信号的顶点处满足的条件如下： S2 (i) = -2 ； 如果满足上式条件，且峰值强度大于设定的参数ντ，则认为此处为回波局部峰值。
【专利摘要】本发明涉及一种水下智能避障声呐系统，包括：声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块；其中，声波发射模块用于在水下发射指定形式的声波信号；声波接收模块用于在水下接收指定形式的声波信号；数据处理模块用于对接收到的声波信号进行处理，包括：构造回波信号的非线性特征，根据非线性特征抑制气泡回波噪声，以及检测回波信号中的局部波峰，通过对局部波峰宽度的计算实现障碍物检测。本发明所提供的水下智能避障声呐系统可以有效的避免气泡带形成的避障声呐的虚警问题。
【IPC分类】G01S15-04, G01S15-93
【公开号】CN104730529
【申请号】CN201310704207
【发明人】刘维, 尹力, 黄海宁
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年12月19日