CN104217616B - 基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感领域，尤其涉及光纤水声传感器的应用领域。所要解决的技术问题在于弥补现有技术的空白，提供一种基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法，解决内河航道流量较大时，特别是多艘船只同时通过时的船只计数难题。所述方法使用若干光纤水声传感器组成阵列，垂直于被测航道布放在河床上，然后对所述光纤水声传感器组成的阵列所采集的信号以能量阈值结合强线谱时频变化的分析方法进行分析处理，从而实现对河道内通航的船只的计数。本发明具有如下优点：低耦合、低成本、监测范围广、抗干扰能力强、不需要人为辅助等特点，适合解决内河航运流量较大时，特别是多艘船只同时通过时的船只流量统计问题。

Description

基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法

技术领域

本发明涉及传感领域，尤其涉及光纤水声传感器的应用领域。

技术背景

我国长三角和珠三角地区，河网密布，无结冰期，水量充沛，内河航运发达。同时船舶航运事故对航运安全的威胁也日趋严重，航运管理部门急需对河道上的航运情况进行实时的监控，以便于从宏观和微观上掌握特定水域内水上交通的实际状况、基本特征和一般规律，比如通过某段河道的船舶数量随时间的分布，船舶吨位等。

目前内河航道流量监测的方法主要有人工监测、视频监测、红外成像和AIS系统。人工监测是通过在航道的特定位置，布置全职监测人员或高清视频探头，在现场或基站内人为对整个航道的运行情况进行监控。视频监测通过在航道的特定位置，布置高清视频探头，捕捉实时的航道截面图像，再对图像进行图形检测来判断过往船只和航行状况。这两种监测方法都要求监测区域内视野能见度高，当遇到大雾、暴风雨等严重影响能见度的天气或夜间，人工监测与视频监测均会失效。红外成像是指在特定的航道两岸或桥面底部设置多个红外探头，对航道截面进行红外探测，然后对探测图像进行处理得到航道的运行状况。该方法较前两种方法，对能见度没有要求，但其效果按探头的布设位置有很大不同。当航道繁忙，多艘船只通过监测区域时，布设在河流两岸的红外探头得到的图像中是无法分离出的多艘船；而一条河流中桥梁数量有限，只在桥面底部设置红外探头，无法对航道的所有区域进行监测。AIS，是Automatic Identification System船舶自动识别系统的缩写。AIS系统由岸基基站设施和船载设备共同组成。安装并开启AIS的船只会将自己当前的船只位置、航向，通过卫星传输给其他安装并开启AIS的船只与基站，这样通过AIS终端的屏幕就可以一目了然地知晓航道每个位置的状况。AIS系统有效与否极大程度上船员的自觉，但是在现实中，过往的船只有很大一部分没有安装或安装了没开启AIS，这就给该监测方法带来了大量的风险。

光纤水听器是一种光纤水声探测器，灵敏度高，动态范围大，可以远距离、不受大雾、黑夜、暴风雨等环境因素的影响地获取船只的噪声特征。因此在海洋中常用于舰船、潜艇的探测和识别，各国都进行了大量的研究，也产生了很多成果，其中目标定位技术以及目标分类技术可以用于船只数量统计。但这两类技术受到技术本身特性的限制，很难被应用到内河航道船只流量统计中。

在目标定位方面，比较成熟的技术是波束成形技术。常规波束形成法通过对阵元之间不同的声程进行补偿，使有用信号同相相加，而噪声不会同相相加，进而增强有用信号；然后根据已知的阵列形状，通过空间能量分布，估计出信号的方位，进而计算出延时，完成波束形成，这种情况一般假设声波为平面波，适用于远场情况。在近场情况时，应用比较普遍的是聚焦波束形成技术。然而，在内河航道监测方面，由于内河水深相对较浅、河道横截面的形状不明，使得河道内的声场环境极其复杂；再者，内河航道通行的船只比较密集，岸边正在运转的机械较多，严重影响波束形成的效果。

在目标分类方面，吴国清等人对舰船辐射噪声进行了多方面的研究，提取了舰船辐射噪声的三种特征，包括线谱特征、双重谱特征和平均功率谱特征，并利用统计模式识别和模糊神经网络相结合的方式对舰船辐射噪声进行分类，但此方法需要建立一个强大的舰船特征模板库。由于内河航道内船只类型复杂，建立这样的特征模板库需要花费较长时间和大量的人力物力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于弥补现有技术的空白，提供一种基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法，解决内河航道流量较大时，特别是多艘船只同时通过时的船只计数难题。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法，其特征在于：

所述方法使用若干光纤水声传感器组成阵列，垂直于被测航道布放在河床上，每条阵列的传感器个数应大于等于被测河道航道最大并行通航数；所述光纤水声传感器组成的阵列用于实时采集船只信号，阵列通过通信光缆与基站内的端机连接；所述端机包括光电转换模块、信号采集卡、信号处理模块；所述光电转换模块将接收到的光信号变为电信号后，由信号采集卡进行采集，并由信号处理模块进行信号解调；最后，端机将解调好的信号通过网口发送给计算机，所述计算机通过对接收到的信号数据以能量阈值结合强线谱时频变化的分析方法进行分析处理，从而实现对河道内通航的船只的计数：

所述以能量阈值结合强线谱时频变化的分析方法包括以下步骤：

步骤一：端机每次读取当前时刻之前一段时间内的光纤水声传感器阵列采集到的声压数据，将信号解调好后传输给计算机；

步骤二：计算机接收解调好的信号，分解成各个传感器接收到的数据，并分别对每个传感器的数据进行预处理，然后进行加窗短时傅里叶变换，得到功率谱估计，算出频带声压级，得到超过能量阈值的频带声压级峰值点，其对应的时刻点即为船只的螺旋桨部位经过该光纤传感器的时刻；

步骤三：计算机提取出这些时刻点附近的强线谱时频特征；然后对这些时刻点不同传感器得到的强线谱时频特征的相似程度进行比较，若相似度符合设定的认定条件，则程序认定多个传感器检测到同一艘船；对船只数量加一并将数量结果显示在人机交互界面上；若相似度不符合设定的认定条件，则维持原船只计数数量不变；

步骤四：保存数据，重复步骤一。

进一步的，所述步骤三通过以下步骤实现：

首先根据步骤二中得到的超过能量阈值的频带声压级峰值点时刻点，在峰值点前后各取一区间确定需要求取强线谱特征的时间段，此时间段即船只行驶在传感器上方水域这段时间；其次，对这段时间内每一次功率谱估计得到的能量强度排名在预定名次之前的一些强能量线谱进行提取，并剔除误判；然后，完成功率谱估计后，在预设的区间范围内，求取出现次数超过预设值的那些线谱，即为稳定出现的强线谱；最后，分别求出这些稳定出现的强线谱的时频特征，包括这些强线谱的最小值、平均值、最大值、最大能量值时刻、最大能量值；通过对比从不同传感器得到的这些强线谱时频特征，可以判定这些特征是否属于同一艘船，进而解决多艘船只同时通过时的船只计数问题。

本发明可带来以下有益效果：

本发明具有如下优点：低耦合、低成本、监测范围广、抗干扰能力强、不需要人为辅助等特点，适合解决内河航运流量较大时，特别是多艘船只同时通过时的船只流量统计问题。本发明经过了实验测试，验证有效可行：在黄浦江上布放置光纤水声传感器三单元阵列，通过光缆与端机连接，再用网线计算机连接，程序在计算机上运行。实验期间总共有60艘进入探测范围，本发明判断出58艘，准确率达到96.67％。

附图说明

图1是本发明系统示意图

图2是本发明的算法流程图

图3是本发明实施例中噪声功率谱示意图

图4是本发明实施例中的船只噪声的线谱示意图

图5是本发明实施例中某个光纤传感器600s内的频带声压级示意图

图6是本发明实施例中某个光纤传感器195s内的强线谱时频图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，光纤传感器可以为任意型号的光纤水声传感器。多个光纤传感器组成阵列1，垂直于被测河道布放在河床上。每条阵列1的传感器个数应大于等于测河道航道最大并行通航数。阵列1通过通信光缆与基站内的端机2连接。端机2基本由电源、窄线宽光源、声光调制器、光功率放大器、光前置放大器、光电转换模块、信号采集卡与信号处理模块组成，还可以按照光纤水声传感器的结构增加可调谐滤波器或补偿干涉仪。光信号经光电转换模块变为电信号后，由信号采集卡进行采集，并由信号处理模块进行信号解调。最后，端机2将解调好的信号通过网口发送给计算机3，由计算机进行运算分析处理，实现监测。

图2所示为本发明的算法流程图。

结合图1、图2将本发明具体实现的步骤详细描述如下：

1)布放光纤水声传感器阵列，并完成阵列-端机-计算机的调试。即：将光纤传感器阵列垂直于被测航道布放在河床上。通过通信光缆与基站内的端机连接，端机通过网口与计算机连接。调试过程验证：阵列是否与端机联通；端机是否正常发送光与接收光；计算机能够正确读取端机发送的数据。

2)计算机每次读取当前时刻之前一段时间内端机向计算机发送的的阵列信号(比如一分钟)；

3)计算机分别对每个传感器的数据进行预处理，然后进行加窗短时傅里叶变换，得到功率谱估计，算出频带声压级，得到超过能量阈值的频带声压级峰值点，其对应的时刻点即为船只的螺旋桨部位经过光纤传感器的时刻；

4)计算机提取出这些时刻点附近的强线谱时频特征；

5)确定疑似为同一艘船被多个光纤传感器检测到的情况，即求取这些情况下不同传感器得到的强线谱时频特征的相似程度。如果相似度较高，则程序认定多个传感器检测到同一艘船。船只计数加一并在人机交互界面上显示。

6)保存数据，重复第二步。

所述步骤1)，具体实现如下：

将光纤传感器阵列垂直于被测航道布放在河床上。通过通信光缆与基站内的端机连接，端机通过网口与计算机连接。调试过程验证：阵列是否与端机联通；端机是否正常发送光与接收光；计算机程序能够正确读取端机发送的数据。以下步骤皆由计算机程序完成。

所述步骤2)，具体实现如下：

由于端机发送给计算机的是整个光纤传感器阵列的信号数据，需要先把这段数据分解成各个传感器接收到的数据。

所述步骤3)，具体实现如下：

船只噪声信号预处理包括了去除趋势项和高通滤波两个部分，其中在去趋势中用到的是最小二乘法。由于主机和辅机产生的噪声主要是分布在500Hz以下的线谱成分，因此为了只关注一个噪声源，即螺旋桨，在求取频带声压级时，舍去500Hz以下频段，把主要成分为螺旋桨空化噪声的500Hz～100000Hz频带内的声压级作为近似衡量船只噪声声源级的标准。

所述步骤4)，具体实现如下：

首先根据步骤3)中得到的超过能量阈值的频带声压级峰值点时刻，确定需要求取强线谱特征的时间段(比如峰值点前后各10s)，即船只正好行驶在传感器上方水域这段时间；其次，提取出这段时间内每一次功率谱估计得到的能量强的一些线谱(比如前20根)。由于截断效应和栅栏效应的影响，存在把一根强线谱误判成两根、甚至三根线谱的情况，因此需要预先剔除那些相距过近的线谱。然后，求取得到的那些线谱中稳定出现的线谱。即设立一个允许线谱变化的范围(比如2Hz)，完成功率谱估计后，求得出现次数较多(比如出现次数过半)的那些线谱，即强线谱。最后，分别求出这些强线谱的最小值、平均值、最大值、最大能量值、最大能量值时刻等信息。

本文中的强线谱时频特征包括，强线谱的最小值、平均值、最大值、最大能量值时刻、最大能量值等信息。通过对比从不同传感器得到的强线谱时频特征，可以判定这些特征是否属于同一艘船，进而解决多艘船只同时通过时的船只计数问题。

所述步骤5)，具体实现如下：

根据船只的速度范围以及光纤传感器之间的相对位置，确定疑似为同一艘船被多个光纤传感器检测到的情况。根据不同传感器得到的强线谱时频特征的相似程度判定这些特征是否属于同一艘船。这段时间内经过的船只数量可由频带声压级峰值点的数量和不同峰值点强线谱时频特征的相似度得到。

所述步骤6)，具体实现如下：

需要保存的内容包括船只数量，各个水听器频带声压级峰值点的时刻、频带声压级大小、其强线谱时频特征以及对比后的不同峰值点附近强线谱时频特征的相似度。

如附图所示，图3中上半部份的示意图(a)所示是某段内河航道在没有船只经过的情况下，通过对实际测试数据处理得到的功率谱特征。可以看出整个频带的功率谱都比较小，但是由于较远处船只和岸上运转中的机械设备的影响，在200Hz左右的低频处依然可以看到有一些线谱存在。图3中下半部分的示意图(b)中所示是有一艘船只(样本A)经过光纤传感器上方时，通过对实测数据处理得到的功率谱特征。可以看出，整个频带的功率谱都比较大，且低速航行的船只线谱成分主要分布在1500Hz以下。我们对图3中下半部分的示意图(b)中的频谱进一步处理，提取出该艘船只1500Hz以下的线谱特征，如图4所示。图中可以看出有10个频率线谱(39.5 79.5 119 158.5 198 238277.5 357 462.5 958)Hz的功率较大，而这组强线谱就是该船只的特征谱线。

图5为某个光纤传感器600s内的频带声压级变化情况。对其中195s的数据进行处理，得到的强线谱时频特征如图6所示。在这195s内，一共有3艘船只先后经过该传感器，由图中可以看出这三艘船只强线谱时频特征的具有明显的差异性。

表1中是一艘离岸119米向黄浦江上游行驶的船经过时三个水听器响应的强线谱。该船通过时，三个传感器单元响应的能量级分别为46.76dB，35.50dB，40.03dB，都超过了能量阈值，然后对比从三个传感器得到的强线谱。可以发现，强线谱时频特征相似度很高，三个单元都出现了(198.1、198.5、198.2)Hz、(263.0、263.7、263.1)Hz、(277.5278.1、277.6)Hz、(317.1、317.3、317.0)Hz等相似的频点；同时三个水听器两两之间的都有7个相似频率。相似度很高，可判定为同一艘船，同时也验证了强线谱时频特征判别方法的可行性。

表1三个水听器的强线谱

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法，其特征在于：

所述方法使用若干光纤水声传感器组成阵列，垂直于被测航道布放在河床上，每条阵列的传感器个数应大于等于被测河道航道最大并行通航数；所述光纤水声传感器组成的阵列用于实时采集船只信号，阵列通过通信光缆与基站内的端机连接；所述端机包括光电转换模块、信号采集卡、信号处理模块；所述光电转换模块将接收到的光信号变为电信号后，由信号采集卡进行采集，并由信号处理模块进行信号解调；最后，端机将解调好的信号通过网口发送给计算机，所述计算机通过对接收到的信号数据以能量阈值结合强线谱时频变化的分析方法进行分析处理，从而实现对河道内通航的船只的计数：

所述以能量阈值结合强线谱时频变化的分析方法包括以下步骤：

步骤一：端机每次读取当前时刻之前一段时间内的光纤水声传感器阵列采集到的声压数据，将信号解调好后传输给计算机；

步骤二：计算机接收解调好的信号，分解成各个传感器接收到的数据，并分别对每个传感器的数据进行预处理，然后进行加窗短时傅里叶变换，得到功率谱估计，算出频带声压级，得到超过能量阈值的频带声压级峰值点，其对应的时刻点即为船只的螺旋桨部位经过该光纤传感器的时刻；

步骤三：计算机提取出这些时刻点附近的强线谱时频特征；然后对这些时刻点不同传感器得到的强线谱时频特征的相似程度进行比较，若相似度符合设定的认定条件，则程序认定多个传感器检测到同一艘船；对船只数量加一并将数量结果显示在人机交互界面上；若相似度不符合设定的认定条件，则维持原船只计数数量不变；

步骤四：保存数据，重复步骤一。

2.按照权利要求1所述的基于光纤水声传感器对内河航道流量进行监测的实现方法，其特征在于：

所述步骤三通过以下步骤实现：

首先根据步骤二中得到的超过能量阈值的频带声压级峰值点时刻点，在峰值点前后各取一区间确定需要求取强线谱特征的时间段，此时间段即船只行驶在传感器上方水域这段时间；其次，对这段时间内每一次功率谱估计得到的能量强度排名在预定名次之前的一些强能量线谱进行提取，并剔除误判；然后，完成功率谱估计后，在预设的区间范围内，求取出现次数超过预设值的那些线谱，即为稳定出现的强线谱；最后，分别求出这些稳定出现的强线谱的时频特征，包括这些强线谱的最小值、平均值、最大值、最大能量值时刻、最大能量值；通过对比从不同传感器得到的这些强线谱时频特征，判定这些特征是否属于同一艘船，进而解决多艘船只同时通过时的船只计数问题。