CN103278047B

CN103278047B - 一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的方法

Info

Publication number: CN103278047B
Application number: CN201310199796.3A
Authority: CN
Inventors: 杨洪涛; 张东速; 张炜; 孙帅; 方传智; 张晶
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103278047A

Abstract

本发明公开一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的装置，包括：射流设备、与射流设备连接的分流器，分流器通过管道连接若干个喷嘴，若干个喷嘴组成阵列喷嘴，每个喷嘴旁边均安装有传声器，若干个传声器组成等间距横向直线排列组成阵列传声器，所述阵列传声器通过数据线与信号放大器连接，信号放大器通过数据线与数据采集卡连接，数据采集卡通过数据线与第一USB接口连接，分流器与喷嘴的管道上安装有电磁阀，阵列喷嘴与阵列传声器通过步进电机带动同时移动，电磁阀与步进电机通过数据线与外接电路板连接，外接电路板通过数据线与第二USB接口连接。

Description

一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的方法

技术领域

本发明涉及地雷探测技术领域，具体是一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的装置与方法。

背景技术

目前，探雷方法已经相当丰富，并且还在不断发展和研究过程中。这些探雷方法主要有动物探雷、金属探雷、自动化探雷、化学分析探雷、红外成像探雷、核四极矩共振法探雷、声波探雷、雷达系统探雷等。虽然这些探雷技术各不相同，探雷器材也种类繁多，但它们的探测原理却是相似的，都是根据地雷中某些材料的物理或化学特性——通过探测地雷的爆炸成分TNT、地雷外壳中的金属成分、地雷与周围土壤的传导特性、发热量、电磁波的不同等,并借助于成像系统的显示结果来判断地雷是否存在。

在高压水射流技术的应用中，其作为目前唯一的一种冷切割加工手段，适合在易燃易爆的危险环境中进行切割作业，其被广泛应用在军事上切割地雷。虽然高压水射流技术可以实现切割地雷的功用，然而如何能探测出浅埋在地表下的地雷却还要采用其他的方法，例如使用探测仪等，这也给高压水射流技术排除地雷这项技术的应用带来了不便。

这些探雷技术在人为和自然因素的影响下，受到干扰的情况很严重：一方面各种地雷具有不同的形状、尺寸和材料(塑料、陶瓷、金属、木材)，种类繁多,单一的扫雷技术有局限性，如传统的金属探雷只能探测外壳为金属材料的地雷，如果提高精度甚至会对探测面上如金属别针等其他金属物品也发出警报。再有,随着地雷外壳越来越多地采用非金属物质，金属探雷器的准确度也变得越来越低。探测地雷中TNT所含氮放射出的电磁波也可以实现对地雷的检测，但是该探雷技术只能实现对含有数公斤TNT的反坦克地雷有效，普通地雷则因为其电磁波信号非常弱或是成本过于昂贵，无法被探测到；另一方面，地雷若被埋藏在不同的地理位置，会因土壤的类型、含水量、质地、土壤的磁特性、土壤上面植被遮盖物的类型和厚度、土壤基质的均匀性以及地形的特点不同等，使得这些方法各自受到一些限制或缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的装置与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的装置，其特征在于，包括：射流设备、与射流设备连接的分流器，所述分流器通过管道连接若干个喷嘴，所述若干个喷嘴组成阵列喷嘴，每个喷嘴旁边均安装有传声器，所述若干个传声器组成等间距横向直线排列组成阵列传声器，所述阵列传声器通过数据线与信号放大器连接，信号放大器通过数据线与数据采集卡连接，数据采集卡通过数据线与第一USB接口连接，分流器与喷嘴的管道上安装有电磁阀，阵列喷嘴与阵列传声器通过步进电机带动同时移动，电磁阀与步进电机通过数据线与外接电路连接，外接电路通过数据线与第二USB接口连接。

所述喷嘴为10个，每个喷嘴之间距离为4～8cm；所述传声器为10个，每个传声器之间距离为4～8cm。

所述传声器阵列与阵列喷嘴平行且间距为10cm～20cm。

所述阵列喷嘴和阵列传声器移动的速度为200cm/min～300cm/min。

本发明还公开一种高压水射流反射声探测地雷材质和形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用射流设备产生的高压水射流通过分流器得到10束高压水射流束，每一束高压水射流束通过管道到达电磁阀，通过电磁阀的开断产生脉冲式高压脉冲水射流束，脉冲式高压水射流束通过管道到达喷嘴，每个喷嘴发出脉冲式高压水射流束冲击探测区域，产生反射声，由10个传声器构成的阵列传声器采集得到10路反射声信号，经过信号放大器处理，软件发出触发信号，经第一USB接口控制数据采集卡将该10路反射声信号传输给计算机，通过软件处理得到地雷材质及形状。

所述10路反射声信号按下述步骤计算出结果：

(1)对传输到计算机的10路反射声信号进行近场自适应波束形成处理，将每一路反射声音信号与其它9路反射声信号进行分离，进而重构出探测线上的反射声分布；

(2)分别计算分离出的每一路反射声信号的短时能量，得到每路反射声信号的语音短时能量的轮廓，采用两级判决的双门限比较法确定该路反射声信号的端点，端点与地雷的边界点是一一对应的；

(3)提取每路反射声信号的每相邻两个端点以内的反射声信号，对其提取Mel频率倒谱特征参数，该特征参数的维数为16维，将该16维的特征参数构成一个16维的特征向量作为识别地雷材质的特征值；

(4)按照步骤(1)、(2)、(3)，提取反映各种地雷材质的16维特征向量，按照不同地雷材质类别的标记输入到多分类支持向量机模型中进行训练，进而确定不同地雷材质所对应的特征值；

(5)将实际探测中获得的反射声信号按(1)、(2)、(3)，分别获得每路反射声信号的16维特征向量，输入到多分类支持向量机模型进行测试，将测试结果与(4)训练的结果比较，最终确定该路探测的地雷的材质；

(6)记录(2)中出现的端点的时间，结合阵列喷嘴移动的速度d计算出地雷的形状大小；

(7)利用软件制作的显示界面显示由步骤(5)地雷材质计算结果和步骤(6)地雷形状计算结果，地雷用三维图显示。

步骤(2)出现模极大值点有下面两种情况：

(1)当10路反射声信号有3个端点时，分别出现在第m路，m+1路，m+2路，标记为为A、B、C，记阵列喷嘴开始移动为时刻零，A、B、C出现的时间为t₁,t₂,t₃，其坐标分别为(md,vt₁),((m+1)d,vt₂),((m+2)d,vt₃),令

\{\begin{matrix} a = | AB | = \sqrt{d^{2} + v^{2} {(t_{2} - t_{1})}^{2}} \\ b = | CB | = \sqrt{d^{2} + v^{2} {(t_{3} - t_{2})}^{2}} \\ c = | CA | = \sqrt{{(2 d)}^{2} + v^{2} {(t_{3} - t_{1})}^{2}} \end{matrix}

则由三角形ABC求得其外接圆的半径得到地雷的实际半径；

(2)当10路反射声信号有4个模极大值点时，分别出现在第m路，m+1路，m+2路，m+3路，标记为A、B、C、D，记阵列喷嘴开始移动为时刻零,A、B、C、D出现的时间为t₁,t₂,t₃,t₄，其坐标分别为(md,vt₁),((m+1)d,vt₂),((m+2)d,vt₃),((m+3)d,vt₄),则可得地雷的实际半径R＝3d。

所述高压水射流为脉冲式，通过软件发出控制信号，经第二USB接口到达外接电路板，经放大处理后控制电磁阀开断，从而控制连续的高压水射流束产生脉冲式高压水射流束，在电磁阀开启的状态下软件同时发出触发信号经第一USB接口控制数据采集卡采集反射声信号，在电磁阀关断的状态下软件同时发出触发信号经第一USB接口控制数据采集卡停止采集反射声信号，电磁阀开启持续时间为0.5秒，关断持续时间为0.5秒。

本发明的有益效果：(1)结合现有高压水射流技术，使用声音识别技术进行探测地雷，拓展了高压水射流技术的应用范围；(2)使用传声器阵列技术，可以识别出地雷的形状大小，与识别出的靶物材质一起综合判断，提高识别率；(3)脉冲射流有效降低了采集的数据量，便于实时处理。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：1、射流设备，2、分流器，3、喷嘴，4、阵列喷嘴，5、传声器，6、阵列传声器，7、信号放大器，8、数据采集卡，9、第一USB接口，10、第二USB接口，11、电磁阀，12、步进电机，13、外接电路板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种高压水射流反射声探测地雷材质与形状的装置，包括：射流设备1、与射流设备1连接的分流器2，射流设备1产生的高压水射流通过分流器2得到10束高压水射流束，每一束高压水射流束通过管道到达喷嘴3，10个喷嘴3等间距横向直线排列组成阵列喷嘴4，每个喷嘴3之间距离为4cm～8cm。每个喷嘴3旁边安装一个传声器5，个传声器5等间距横向直线排列组成阵列传声器6，每个传声器5之间距离为4cm～8cm，其中阵列传声器6与阵列喷嘴4平行且间距为10cm～20cm。阵列传声器6通过数据线与信号放大器7连接，信号放大器通过数据线与数据采集卡8连接，数据采集卡8通过数据线与第一USB接口9连接。电磁阀11安装于连接分流器2与喷嘴3的管道上。阵列喷嘴4与阵列传声器5通过步进电机12带动其同时移动，阵列喷嘴4移动的速度为200cm/min～300cm/min。电磁阀11与步进电机12通过数据线与外接电路13连接，外接电路13通过数据线与第二USB口接10连接。

电脑软件通过第二USB接口10和外接电路13来控制电磁阀11的开断，开断的时间间隔为0.5s,从而产生脉冲形式的高压水射流。阵列喷嘴4发出的脉冲形式的高压水射流束冲击目标靶物产生的反射声，同时利用电脑软件通过第一USB接口9来同步触发数据采集卡8和阵列传声器6采集反射声信号，电脑软件采集、编辑和处理信号，电脑显示探测区域的地雷三维图。

本发明还公开一种高压水射流反射声探测地雷材质和形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用射流设备1产生的高压水射流通过分流器2得到10束高压水射流束，每一束高压水射流束通过管道到达电磁阀11，通过电磁阀11的开断产生脉冲式高压脉冲水射流束，脉冲式高压水射流束通过管道到达喷嘴3，每个喷嘴3发出脉冲式高压水射流束冲击探测区域，产生反射声，由10个传声器5构成的阵列传声器6采集得到10路反射声信号，经过信号放大器7处理，软件发出触发信号，经第一USB接口9控制数据采集卡8将该10路反射声信号传输给计算机，通过软件处理得到地雷材质及形状。

所述高压水射流为脉冲式，通过软件输出控制信号经第二USB接口10到达外接电路板13，经放大处理后控制电磁阀11开断，从而控制连续的高压水射流束产生脉冲式高压水射流束，在电磁阀11开启的状态下软件同时发出触发信号经第一USB接口9控制数据采集卡采集反射声信号，在电磁阀11关断的状态下软件同时发出触发信号经第一USB接口9控制数据采集卡停止采集反射声信号，电磁阀11开启持续时间为0.5秒，关断持续时间为0.5秒。

电脑软件对每一路反射声信号按下述步骤计算出结果：

(2)分别计算分离出的每一路反射声信号的短时能量，得到每路反射声信号的语音短时能量的轮廓，采用两级判决法的双门限比较法确定该路反射声信号的端点，端点与地雷的边界点是一一对应的；

地雷形状大小计算方法为：步骤(2)出现模极大值点有下面两种情况：

\{\begin{matrix} a = | AB | = \sqrt{d^{2} + v^{2} {(t_{2} - t_{1})}^{2}} \\ b = | CB | = \sqrt{d^{2} + v^{2} {(t_{3} - t_{2})}^{2}} \\ c = | CA | = \sqrt{{(2 d)}^{2} + v^{2} {(t_{3} - t_{1})}^{2}} \end{matrix}

则由三角形ABC求得其外接圆的半径得到地雷的实际半径；

Claims

1.一种高压水射流反射声探测地雷材质和形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用射流设备(1)产生的高压水射流通过分流器(2)得到10束高压水射流束，每一束高压水射流束通过管道到达电磁阀(11)，通过电磁阀(11)的开断产生脉冲式高压脉冲水射流束，脉冲式高压水射流束通过管道到达喷嘴(3)，每个喷嘴(3)发出脉冲式高压水射流束冲击探测区域，产生反射声，由10个传声器(5)构成的阵列传声器(6)采集得到10路反射声信号，经过信号放大器(7)处理，软件发出触发信号，经第一USB接口(9)控制数据采集卡(8)将该10路反射声信号传输给计算机，通过软件处理得到地雷的材质及形状；

所述10路反射声信号按下述步骤计算出结果：

(5)将实际探测中获得的反射声信号按步骤(1)、(2)、(3)，分别获得每路反射声信号的16维特征向量，输入到多分类支持向量机模型进行测试，将测试结果与(4)训练的结果比较，最终确定该路探测的地雷的材质；

(6)记录步骤(2)中出现的端点的时间，结合阵列喷嘴移动的速度d计算出地雷的形状大小；

2.根据权利要求1所述的高压水射流反射声探测地雷材质和形状的方法，其特征在于，所述高压水射流为脉冲式，通过软件发出控制信号，经第二USB接口(10)到达外接电路板(13)，经放大处理后控制电磁阀(11)开断，从而控制连续的高压水射流束产生脉冲式高压水射流束，在电磁阀(11)开启的状态下软件同时发出触发信号经第一USB接口(9)控制数据采集卡(8)采集反射声信号，在电磁阀(11)关断的状态下软件同时发出触发信号经第一USB接口(9)控制数据采集卡(8)停止采集反射声信号，电磁阀(11)开启持续时间为0.5秒，关断持续时间为0.5秒。