一种分布式水下背景噪声同步采集方法与系统与流程

1.本发明涉及船舶或水下其他物体自动监测方法，尤其涉及一种分布式水下背景噪声同步采集方法与系统。


背景技术：

2.海洋科技是海洋开发过程中的第一生产力，由于水介质的复杂性，再加上水下环境的不确定性，水下探测距离、精度、可靠性受到极大影响，客观上使得水下难以实现“透明化”。目前多种水下探测技术并行发展:主动或被动声呐探测技术；水下激光探测技术等等。现阶段的水下探测技术基本上都是依赖探测设备主动发射探测信号或被探测物体产生的信源来实现探测；对于收受信号传感器的位置分布有比较高的要求，比如传感器间距相同，水平位置一致，排列成一条直线等；主动声纳，被动水听器、激光探测，距离近。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种分布式水下背景噪声同步采集方法与系统。
4.本发明提供了一种分布式水下背景噪声同步采集方法，包括以下步骤：
5.s1、采用水听器采集水声背景噪声数据，并传输至数据采集模块；
6.s2、数据采集模块将接收到的数据进行预处理和数据编码后，发送给数据收集处理模块；
7.s3、数据收集处理模块将接收到的数据进行解码处理后，发送给目标特征计算判断模块；
8.s4、目标特征计算判断模块将接收到的数据提取声学特征信息，并与特征库的各类水下物体特征进行匹配，当匹配程度达到设定的阈值后，发送提醒信号。
9.作为本发明的进一步改进，所述数据采集模块通过无线自组网网络与所述数据收集处理模块通讯。
10.作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，所述目标特征计算判断模块通过信号变换算法提取声学特征信息。
11.作为本发明的进一步改进，所述目标特征计算判断模块通过频率-贝塞尔信号变换算法对水下背景噪声进行基阶和高阶频散曲线提取。
12.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，数据采集模块将接收到的数据进行的预处理包括放大和滤波，通过数据收集处理模块将统一设置数据采集模块的参数，包括：同步数据采集模式、数据采集时长、采样间隔、信号放大增益、信号滤波模式、数据回传方式。
13.作为本发明的进一步改进，基于互相关法对于水听器之间的间距和高度无要求，所述水听器在水下的分布方式为随机三维方式。
14.作为本发明的进一步改进，所述目标特征计算判断模块所采用的判断模型的建立过程如下：
15.步骤一：将现阶段无任何物体的水下背景噪声样本分为多个频段，形成不同频段的样品集；
16.步骤二：按采集时间将采集的水下背景噪声样本分为多个片段，形成不同时间片段的样本库；
17.步骤三：将不同频段和不同时间段的样本集按照基阶和高阶频散曲线输入卷积网络，抽取特征；
18.步骤四：对于不同时间段，同一基阶和高阶的样本进行连接，形成多层连接网络；
19.步骤五：对特征库进行识别、整理，再进入卷积计算，对比当前采集水下背景噪声特征，形成最终的判断模型。
20.本发明还提供了一种分布式水下背景噪声同步采集系统，其特征在于：用于实现上述中任一项所述的方法，所述系统包括水听器、数据采集模块、无线通信模块、数据收集处理模块和目标特征计算判断模块；其中，所述数据采集模块至少有两个并组建为无线自组网网络，所述数据采集模块与所述数据收集处理模块通过所述无线自组网网络连接通讯，所述水听器置于水下并与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块对应有一无线通信模块，所述数据采集模块以及与其对应的无线通信模块置于水面半潜，并确保无线通信模块完全露出水面；所述数据收集处理模块置对应有一无线通信模块，所述数据收集处理模块以及其对应的无线通信模块置于岸边，所述数据收集处理模块与所述目标特征计算判断模块连接，所述目标特征计算判断模块为软件模块，安装于计算机中，安装有目标特征计算判断模块的计算机置于岸边固定监测塔中；所述水听器接收水下背景噪声信号并通过数据采集模块传输给数据收集处理模块，再由数据收集处理模块传输到目标特征计算判断模块，交由目标特征计算判断模块进行目标特征识别判断。
21.作为本发明的进一步改进，所述水听器与所述数据采集模块通过信号线连接。
22.本发明还提供了一种分布式水下背景噪声同步采集系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如上述中任一项所述的方法
23.本发明的有益效果是：通过上述方案，降低了对于收受信号传感器的位置分布要求，探测距离远，自身比较隐蔽，对于静音目标可以探测。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的方案。
25.图1是本发明一种分布式水下背景噪声同步采集系统的示意图。
26.图2是本发明一种分布式水下背景噪声同步采集系统的测点相关性图示意图。
27.图3是本发明一种分布式水下背景噪声同步采集系统的一个测点相关性示意图。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
32.水下背景噪声同步采集装置采集的是水下背景噪声，水下背景噪声信号是由许多不同类型的源激发产生的，水下背景噪声是由体波、面波、衍射波以及散射波等类型的波组成的复杂波场。背景噪声信号中大部分能量是由面波构成，而面波的频散特征是与水下结构密切相关的，因而可以利用水下背景噪声的面波信息研究水下的不同于水的其他物体。面波勘探的重要一部是提取相速度的频散曲线，该装置在使用互相关法的基础上，创新地采用三维传感器随机分布的方式和相对/绝对同步的采集方式，从水下背景噪声中提出包含高阶振型的频散曲线，通过反演分析获取水下异物。
33.如图1所示，一种分布式水下背景噪声同步采集方法，采用高灵敏度的水听器1采集水下背景噪声，通过水听器1自带信号线传输至无线自组网的数据采集模块2，数据采集模块2中的水声信号处理模块对水听器1采集的信号进行放大、滤波等预处理操作，将放大的水声背景噪声等信号采集发送给无线自组网的数据收集处理模块4，数据收集处理模块4将各个水听器1采集的数据发送给目标特征计算判断模块5，目标特征计算判断模块5通过频率-贝塞尔信号变换算法提取信号的声学特征，与前期采集的水声数据库数据对比分析，并与特征库各类水下物体特征进行匹配，当匹配程度达到设定的阈值后，发送提醒信号。
34.水听器1为分布式水听传感器。
35.水听器1在水下是分布式的随机三维方式，是基于互相关法对于传感器之间的间距和高度无要求。随着水听传感器数量的增加，每个数据采集点与其他数据采集点之间相关性增加，数据反演探测不明物体的精度越高。
36.如图2、3所示，测试点与测试点之间的间距无特殊要求，所有测试点均在一个三维空间随机分布。根据自组网通信的方式，保证每个测试点周围至少有一个间距不超过1000米的测试点，即可保证所有测试点通过自组网的方式连接并与之通信。最后通过无线通信物理层同步方式实现同步数据采集，采集完数据再通过无线自组网将数据传输到数据收集终端。
37.将收集到的水下背景噪声数据根据相关性变换法处理，任意两个测试点之间即可组成一个相关性，根据排列组合计算公式，如有n个测试点，即可组成个相关处理结果。如
图2，以测试点a为起始点，可组成ab、ac、ad、ae、af、ag 6条相关性处理结果；以测试点b为起始点，可组成bc、bd、be、bf、bg 5条相关性处理结果；依此类推，一共可获取21条相关性处理结果；最后将这21条相关性结果组成一个三维数据点。采集数据的三维测试点数量越多，获取测试点相关性的数据越密集，根据前后数据的对比分析，对水下物体的分辨精度越高。
38.建立当前水下背景噪声下的特征库，通过水听器1采集实验场地和实验物体的数据，数据采集模块2对水听器1采集的信号进行放大、滤波等预处理操作，通过无线通信模块3和数据收集处理模块4传送到目标特征计算判断模块5；目标特征计算判断模块5通过频率-贝塞尔变换算法提取信号的基阶和高阶频散曲线等特征参数，然后利用基阶频散曲线联合高阶频散曲线形成初步的模型库，包括一下步骤：
39.步骤一：将现阶段无任何物体的水下背景噪声样本分为多个频段，形成不同频段的样品集；
40.步骤二：按采集时间将采集的水下背景噪声样本分为多个片段，形成不同时间片段的样本库；
41.步骤三：将不同频段和不同时间段的样本集按照基阶和高阶频散曲线输入卷积网络，抽取特征；
42.步骤四：对于不同时间段，同一基阶和高阶的样本进行连接，形成多层连接网络。
43.步骤五：对模型库进行识别、整理，再进入卷积计算，对比当前采集水下背景噪声特征，形成最终的判断模型。
44.一种分布式水下背景噪声同步采集系统，采用基于频率-贝塞尔变换法，将该变换法的使用范围从陆地应用拓展到水下应用的方法，包括水听器1、数据采集模块2、无线通信模块3、数据收集处理模块4和目标特征计算判断模块5，其中水听器1置于水下，数据采集模块2与无线通信模块3置于水面半潜，确保无线通信模块完全露出水面，无线通信模块3和数据收集处理模块4置于岸边与目标特征计算判断模块连接，目标特征计算判断模块5为软件模块，安装于计算机中，该计算机为arm核的微型计算机，目标特征计算判断模块5与计算机置于岸边固定监测塔中；水听器1通过无线信号与数据收集处理模块4连接，水听器1接收水下背景噪声信号并通过数据采集模块2的无线通信模块3与数据收集处理模块4传输到目标特征计算判断模块5，交由目标特征计算判断模块5进行目标特征识别判断，从而实现可疑船只6或者可疑物体7的监测。
45.若干个无线通信模块3组建为无线mesh自组网网络。
46.本发明提供的一种分布式水下背景噪声同步采集系统，其工作过程如下：
47.步骤1：分布式随机位置布置水听器1，每个水听器1匹配一个数据采集模块2以及一个无线通信模块3，任意一个无线通信模块3周围至少有一个无线通信模块3的最大间距不超过1000米。无线通信模块3与无线通信模块3之间采用无线通信模块方式连接通信。
48.步骤2：数据收集处理模块4通过无线通信模块3与数据采集模块2的无线网络连接，通过数据收集处理模块4统一设置数据采集模块2参数：同步数据采集模式(绝对同步或相对同步)、数据采集时长、采样间隔、信号放大增益、信号滤波模式(低通、高通和带通)、数据回传方式(同步回传或定时回传或固定回传)等参数。
49.步骤3：通过专门的射频信道控制所有数据采集模块2同步开始采集数据，采集的数据先保存在每个数据采集模块2的数据存储芯片中，待所有数据采集模块2数据采集完成
后，每个数据采集模块2根据数据收集处理模块4的要求依次回传采集的数据。
50.步骤4：数据收集处理模块4将数据采集模块2回传的数据保存到数据库中，数据处理软件可读取数据库保存的数据分析处理。
51.本发明提供的一种分布式水下背景噪声同步采集方法与系统，应用于船舶或水下其他物体自动监测。
52.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。