CN104408973A - 基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，包括光纤水声传感器阵列、光电转换模块和信号处理模块三个子模块，其中，光纤传感器阵列包括多个光纤水声传感器单元和通信光缆。河道中船只声场信号由水声传感器单元接收后转换为光信号，通过通信光缆传输至岸上进行光电转换为电信号后再传送至计算机或信号处理控制板，由信号处理模块计算输出信号最终实现对内河河道船只的流量、位置、航向、航速等指标的实时监测，本发明提供了一种主动的、适用性广泛且抗干扰能力强的内河河道全自动监测的系统，该系统不受天气状况限制，可全天候实时监测内河航道。

Description

基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统

技术领域

本发明属于信号处理工程技术领域，具体是一种通过处理接收到的光纤水声传感器的信号，实现对目标水域船只进行实时监测的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统。

背景技术

基于光纤传感器的水下探测可以远距监测，快速获取水中目标特征，不易受自然环境限制，已被用于各国的近海海域安全防御。由于海洋水声环境比内河航道平坦、干净，目前的水下光纤传感器探测系统无法直接用于内河航道监测。

另一方面，很多地区内河航运交通繁忙，船只数量庞杂，缺少有效监测，目前常用的河道监测方式有以下几种：基于视频监控系统的监测、基于红外成像系统的监测、基于AIS系统的监测和人工监测。

但是传统的监测方式易受到不同客观条件的限制，无法实现全天候、全自动的监测，如视频监测系统虽可在复杂背景中自动识别目标，但其缺点是系统严重依赖光照条件，仅适用于白天光照较好的情况下，黑夜、大雾都会严重影响其使用效果；红外成像虽具有隐蔽性好、抗干扰能力强的优点，但其仍是一种基于半人工辅助的监测系统，目标的获取需要人工辅助才可以完成；AIS系统虽可以获取较为全面和完整的船舶信息，但是它的监测是被动的，要求目标船舶上必须安装AIS设备且正常工作，这样目标船只的合作与否将会很大程度上影响到监测结果；而人工监测方法虽简单易行，但其结果也易受到观察人员水平、责任心等主观因素和天气、观察时间等客观因素的影响。

发明内容

针对目前内河航道船只监测系统中面临的问题，本发明提供了一种基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，实现了对内河航道船只目标的实时计数、定位、测向、测速等监测功能。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，包括至少两条光纤水声传感器阵列、光电转换模块和信号处理模块，其中，每一条光纤水声传感器阵列均包括多个光纤水声传感器单元和一条通信光缆，光纤水声传感器单元接收河道中船只声场信号后转换为光信号，通过通信光缆传输至岸上光电转换模块内基站内的端机中；光电转换模块包括光前置放大器、光功率放大器、光电转换器和信号采集卡，通信光缆传输进来的光信号依次经过光前置放大器和光功率放大器后输入光电转换器，转换为电信号后通过信号采集卡采集并解调，最后通过端机将解调后的信号通过同轴电缆传输至信号处理模块，由信号处理模块执行监测方法实现对内河河道船只指标的监测。

优选地，所述光纤水声传感器阵列为两条，两条光纤水声传感器阵列分别布设在河床并垂直于河道，其中每一条阵列分别设有八个光纤水声传感器单元。

优选地，所述信号处理模块的监测方法在计算机或信号处理控制板上执行。

优选地，所述船只指标包括流量、位置、航向及航速。

优选地，所述信号处理模块执行的监测方法，包括如下步骤：

步骤1，提取输入信号并校准光纤水声传感器阵列；

步骤2，对输入信号的峰值点进行判决；

步骤3，动态特征频点提取；

步骤4，根据步骤3中提取的动态特征频点进行静态特征频点提取；

步骤5，相关峰值点元胞提取；

步骤6，对比度计算；

步骤7，船只数量、位置判断；

步骤8，船只航向、航速判断。

优选地，所述步骤1具体为，提取输入的阵列信号，通过各个阵元间信号幅值间纵向对比和每个阵元与初始设置值之间横向对比，校准阵列接收信号幅值。

优选地，所述步骤2具体为，利用拟合方法去除信号中趋势项，将输入信号进行带通滤波，取出声压级的峰值点，设定不同阈值剔除掉毛刺噪声和不符合要求的峰值点。

优选地，所述步骤3和步骤4具体为，当在某时刻步骤2判决该时刻为峰值点时，提取该峰值点时刻前后各10秒为一个时间段，加入滑动窗函数做FFT(快速傅氏变换)提取动态特征频点并存入动态特征频点矩阵；设定门阈值，提取动态特征频点矩阵中出现次数和能量值超过门阈值的特征频点作为静态特征频点，存入静态特征频点矩阵。

优选地，所述步骤5具体为，光纤水声传感器阵列中任一光纤水声传感器单元在某时刻判决出现峰值点时，以该时刻为临时时间基准点，提取其后一段时间内所有光纤水声传感器单元判决出的峰值点，并存入相关峰值点元胞。

优选地，所述步骤6、步骤7和步骤8具体为，对相关峰值点元胞中峰值点对应的静态特征频点矩阵两两之间进行相似度判断，根据其每个峰值点之间相似度的判决值，对步骤2中判别为峰值点的时刻河道上船只的数量和位置进行判定，同时依据所判定位置和对应的静态特征频点矩阵，判定航向和航速。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明解决了内河航运流量较大时，特别是多艘船只同时通过时的船只实时自动监测的问题；

2、低耦合、低成本、监测范围广、抗干扰能力强，适合于在恶劣环境下对目标水域进行监测；

3、不需要人为辅助，可以在无需人为因素控制的情况下进行全天候长时间的监测；

4、本发明是一种主动的、适用性广泛且抗干扰能力强的内河河道全自动监测系统，具有不受天气状况限制、可全天候实时监测内河航道的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于光纤传感器的水声监测系统示意图；

图2为信号处理算法整体流程图；

图3为提取峰值点流程图；

图4为提取动态特征频点流程图；

图5为提取静态特征频点的流程图；

图6为提取相关峰值点元胞流程图；

图7为判别数量和位置流程图；

图8为判别航向和航速流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本实施例提供了一种基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，包括至少两条光纤水声传感器阵列、光电转换模块和信号处理模块，其中，每一条光纤水声传感器阵列均包括多个光纤水声传感器单元和一条通信光缆，光纤水声传感器单元接收河道中船只声场信号后转换为光信号，通过通信光缆传输至岸上光电转换模块内基站内的端机中；光电转换模块包括光前置放大器、光功率放大器、光电转换器和信号采集卡，通信光缆传输进来的光信号依次经过光前置放大器和光功率放大器后输入光电转换器，转换为电信号后通过信号采集卡采集并解调，最后通过端机将解调后的信号通过同轴电缆传输至信号处理模块，由信号处理模块执行监测方法实现对内河河道船只指标的监测。

进一步地，所述光纤水声传感器阵列为两条，两条光纤水声传感器阵列分别布设在河床并垂直于河道，其中每一条阵列分别设有八个光纤水声传感器单元。

进一步地，所述信号处理模块的监测方法在计算机或信号处理控制板上执行。

进一步地，所述船只指标包括流量、位置、航向及航速。

进一步地，所述信号处理模块执行的监测方法，包括如下步骤：

步骤1，提取输入信号并校准光纤水声传感器阵列；

步骤2，峰值点判决；

步骤3，动态特征频点提取；

步骤4，静态特征频点提取；

步骤5，相关峰值点元胞提取；

步骤6，对比度计算；

步骤7，船只数量、位置判断；

步骤8，船只航向、航速判断。

进一步地，所述步骤1具体为，提取输入的阵列信号，通过各个阵元间信号幅值间纵向对比和每个阵元与初始设置值之间横向对比，校准阵列接收信号幅值。

进一步地，所述步骤2具体为，利用拟合方法去除信号中趋势项，将接入信号进行带通滤波，取出声压级的峰值点，设定不同阈值剔除掉毛刺噪声和不符合要求的峰值点。

进一步地，所述步骤3和步骤4具体为，当在某时刻步骤2判决该时刻为峰值点时，提取该峰值点时刻前后各10秒为一个时间段，加入滑动窗函数做FFT提取动态特征频点并存入动态特征频点矩阵；设定门阈值，提取动态特征频点矩阵中出现次数和能量值超过门阈值的特征频点，存入静态特征频点矩阵。

进一步地，所述步骤5具体为，光纤水声传感器阵列中任一光纤水声传感器单元在某时刻判决出现峰值点时，以该时刻为临时时间基准点，提取其后一段时间内所有光纤水声传感器单元判决出的峰值点，并存入相关峰值点元胞。

进一步地，所述步骤6、步骤7和步骤8具体为，对相关峰值点元胞中峰值点对应的静态特征频点矩阵两两之间进行相似度判断，根据其每个峰值点之间相似度的判决值，对步骤2中判别为峰值点的时刻河道上船只的数量和位置进行判定，同时依据所判定位置和对应的静态特征频点矩阵，判定航向和航速。

下面结合附图对本实施例作进一步地描述。

如图1所示，本实施例提供的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，包括光纤水声传感器阵列、光电转换模块和信号处理模块三个子模块。其中光纤水声传感器阵列为布设在河床并垂直于河道两条光纤水声传感器阵列，每条阵列分别有八个水声传感器单元，传感器阵列的通信光缆与岸上光电转换模块中基站内的端机连接。

光电转换模块包括主要由光前置放大器和光功率放大器组成的放大电路、光电转换器和信号采集卡，通信光缆传输进来的输入信号经过放大电路输入光电转换器，转换为电信号后通过信号采集卡采集并解调，最后用端机将解调好的信号通过同轴电缆传输至计算机或控制板上的信号处理模块。

如图2所示为信号处理模块流程图，具体实现步骤描述如下：

端机将解调好的信号通过同轴电缆传输至计算机或控制板上的信号处理模块，每秒读取一次由阵列传输信号，提取输入的阵列信号，通过各个阵元间信号幅值间纵向对比和每个阵元与初始设置值之间横向对比，校准阵列接收信号幅值，并进行以下步骤的操作：

步骤1，提取输入信号并校准光纤水声传感器阵列；

步骤2，通过由图3所示检测峰值点子模块检测该时刻阵列传输来的信号是否存在峰值点，若存在峰值点，则继续实施算法的后续部分；若不存在峰值点，调出该步骤，等待读取后续输入数据并检测下一时刻是否存在峰值点；

承接步骤2，若检测出该时刻存在峰值点，则下面将并行执行两路操作：

步骤3和步骤4，分别提取动态特征频点和静态特征频点；

步骤5，提取相关峰值点元胞提取，特征频点提取一路操作为如图4、图5所示的提取动态特征频点和提取静态特征频点，该路这两部操作为串行操作，按顺序依次进行；另一路相关峰值点元胞提取操作为如图6所示的提取相关峰值点元胞；

步骤6，步骤3、4、5完成后，提取出的相关峰值点元胞中各个相关峰值点所对应的静态特征频点矩阵，计算各个相关峰值点的对比度值并存储进对比度矩阵中；

步骤7，提取步骤6对比度矩阵中的计算结果，对船只数量和位置信息进行判定，判定结果存储进最终输出矩阵中；

步骤8，由步骤4中提取的静态特征矩阵和步骤7中的数量位置信息的判定结果，对船只的航向和航速进行判定，判定结果存储进最终输出矩阵中。

所述步骤2的流程图如图3所示，具体实现如下所述：先对输入信号进行预处理，具体做法为利用最小二乘法拟合去除信号中的趋势项，再对预处理之后的信号加入滑动窗做FFT，随后对信号进行带通滤波，提取其30HZ 5000HZ能量作为功率谱能量估计，取出功率谱能量的峰值点，判断该峰值点是否符合峰值点判定条件，判定条件如下所述：设定阈值1，对峰值点前后进行时域能量值差分，若差分值大于阈值1，则认为该峰值点为毛刺噪声，判定为否，若不大于阈值1，则继续后续判断；设置阈值2，以峰值点为基点，以阈值2为范围判断峰值点周围是否有大于其能量值的峰值点，若存在其他能量值更大的峰值点，则判定为否，若无其他更大能量值的峰值点，则继续后续判断；设置阈值3，判定该峰值点能量值是否大于阈值3，若小于阈值3，则判定为否，若大于阈值3，则判定该峰值点为船只经过时峰值点。

所述步骤3、4、5的流程图如图4、图5和图6所示，其分为两路并行操作，分别为特征频点提取和相关峰值点元胞提取，特征频点提取具体实现如下所述：当在某时刻步骤2判决该时刻为峰值点时，如图4所示提取该峰值点时刻前后各10秒为一个时间段，以2秒为窗口宽度在该时域内滑动，每次滑动均做一次FFT将信号转换到频域，以5HZ为频域窗口在该频域内滑动，将每次滑动提取出窗口内的频率极值点存入动态特征频点矩阵，同时记录下该特征频点的能量值，若两个相邻的动态特征频点之差小于3HZ，则取能量较大的一个特征频点作为动态特征频点，将另外一个特征频点置零。动态特征频点矩阵存储完成后，如图5所示将动态特征频点矩阵中存储的特征频点提取出来按照频率大小升序排列，对排序后的序列依次进行检测，首先判断其是否为最低频点，若不是最低频点则跳过该频点继续对后面频点进行检测，后面检测的频点若同时符合终止点条件和起始点条件，则将该频点存储进静态特征频点；若为最低频点则判断该频点是否符合终止点条件，若符合该条件则判断该点为静态特征频点并存储进静态特征频点矩阵，若不符合条件循环将返回至对排序后的序列检测处继续执行。

相关峰值点元胞提取步骤如图6所示，具体实现如下所述：当阵列中任一水听器在某时刻判决出现峰值点时，以该时刻为时间基准点，提取其后6秒时间的所有水听器判决出的峰值点，对存在峰值点的水听器序号进行升序排序，判断该序列中是否连续，若序列连续则将其依次存储进相关峰值点元胞，若序列不连续则依次将连续的峰值点存储进不同的相关峰值点元胞

所述步骤6、7的流程图如图7所示，具体实现如下所述：对相关峰值点矩阵中峰值点对应的静态特征频点矩阵两两之间进行相似度判断，根据峰值点的个数和其每两个峰值点之间相似度的判决值，判定该时刻河道上船只的数量和位置。

所述步骤8的流程图如图8所示，具体实现如下所示：提取步骤7中已判定的船只数量和位置信息，标记出该条阵列船只和其静态特征频点矩阵，同时提取另一条阵列中在该时刻前后2分钟内所有船只峰值点时刻和静态特征频点矩阵，判断这2分钟内的船只空间是否在合理的范围内，若不在合理空间范围内，则忽略该船只特征频点矩阵；若在合理范围内，则取其对比度最大值作为航向判别依据，据此判断航向和航速。

本实施例具体为：

一种基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，包括光纤水声传感器阵列、光电转换模块和信号处理模块三个子模块。其中，光纤水声传感器阵列由两列通信光缆和多个水声传感器单元组成，每一列光纤水声传感器阵列通过通信光缆连接多个水声传感器单元，河道中船只声场信号由水声传感器单元接收后转换为光信号，通过通信光缆传输至岸上输入至光电转换模块；光电转换模块由光前置放大器、光功率放大器、光电转换器、信号采集卡组成，由通信光缆传输进来的输入信号经过放大电路输入光电转换器，转换为电信号后通过信号采集卡采集并解调，最后用端机将解调好的信号通过同轴电缆传输至计算机或信号处理控制板上的信号处理模块；信号处理模块通过监测方法实现对内河河道船只的流量、位置、航向、航速等指标的监测。所述监测方法步骤如下：

步骤1，提取输入信号并校准阵列；

步骤2，峰值点判决；

步骤3，动态特征频点提取；

步骤4，静态特征频点提取；

步骤5，相关峰值点元胞提取；

步骤6，对比度计算；

步骤7，船只数量、位置判断；

步骤8，船只航向、航速判断。

所述步骤1的具体实现如下：提取输入的阵列信号，通过各个阵元间信号幅值间纵向对比和每个阵元与初始设置值之间横向对比，校准阵列接收信号幅值。

所述步骤2的具体实现如下：利用最小二乘法去除信号中趋势项，将接入信号进行带通滤波，提取其30HZ-5000HZ能量作为声压级，取出声压级的峰值点；设定阈值1，通过时域能量值差分剔除掉信号中的毛刺噪声；设置阈值2，通过窗口滑动平均处理剔除掉峰值点前后的不稳定点；设置阈值3，剔除掉能量较小的峰值点。剩余峰值点判定为船只经过时峰值点。

所述步骤3的具体实现如下：当在某时刻步骤2判决该时刻为峰值点时，提取该峰值点时刻前后各10秒为一个时间段，以2秒为时域窗口在该时域内滑动，每次滑动均做一次FFT将信号转换到频域，以5HZ为频域窗口在该频域内滑动，将每次滑动提取出窗口内的频率极值点存入动态特征频点矩阵。

所述步骤4的具体实现如下：设定门阈值4，提取步骤3中出现次数和能量值超过门阈值的特征频点，存入静态特征频点矩阵。

所述步骤5的具体实现如下：当阵列中任一水听器在某时刻判决出现峰值点时，以该时刻为时间基准点，提取其后6秒时间的所有水听器判决出的峰值点，并存入相关峰值点元胞。

所述步骤6、7的具体实现如下：对相关峰值点元胞中峰值点对应的静态特征频点矩阵两两之间进行对比度计算，根据其每两个峰值点之间对比度的计算值，判定步骤2中判别为峰值点的时刻河道上船只的数量和位置。

所述步骤8的具体实现如下：判别出一条阵列中船只数量后，标记出某一时刻经过该条阵列船只和其静态特征频点矩阵，同时提取另一条阵列中在该时刻前后2分钟内所有船只峰值点时刻和静态特征频点矩阵，依次与原阵列船只进行对比度计算，取其对比度最大值作为航向判别依据，据此判断航向和航速。

本实施例提供的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，具有以下技术特点：

1、解决了内河航运流量较大时，特别是多艘船只同时通过时的船只实时自动监测的问题；

2、低耦合、低成本、监测范围广、抗干扰能力强，适合于在恶劣环境下对目标水域进行监测。

3、不需要人为辅助，可以在无需人为因素控制的情况下进行全天候长时间的监测；

4、本实施例是一种主动的、适用性广泛且抗干扰能力强的内河河道全自动监测系统，具有不受天气状况限制、可全天候实时监测内河航道的特点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：包括至少两条光纤水声传感器阵列、光电转换模块和信号处理模块，其中，每一条光纤水声传感器阵列均包括多个光纤水声传感器单元和一条通信光缆，光纤水声传感器单元接收河道中船只声场信号后转换为光信号，通过通信光缆传输至岸上光电转换模块内基站内的端机中；光电转换模块包括光前置放大器、光功率放大器、光电转换器和信号采集卡，通信光缆传输进来的光信号依次经过光前置放大器和光功率放大器后输入光电转换器，转换为电信号后通过信号采集卡采集并解调，最后通过端机将解调后的信号通过同轴电缆传输至信号处理模块，由信号处理模块执行监测方法实现对内河河道船只指标的监测。

2.根据权利要求1所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述光纤水声传感器阵列为两条，两条光纤水声传感器阵列分别布设在河床并垂直于河道，其中每一条阵列分别设有八个光纤水声传感器单元。

3.根据权利要求1所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述信号处理模块的监测方法在计算机或信号处理控制板上执行。

4.根据权利要求1所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述船只指标包括流量、位置、航向及航速。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述信号处理模块执行的监测方法，包括如下步骤：

步骤1，提取输入信号并校准光纤水声传感器阵列；

步骤2，对输入信号的峰值点进行判决；

步骤3，动态特征频点提取；

步骤4，根据步骤3中提取的动态特征频点进行静态特征频点提取；

步骤5，相关峰值点元胞提取；

步骤6，对比度计算；

步骤7，船只数量、位置判断；

步骤8，船只航向、航速判断。

6.根据权利要求5所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述步骤1具体为，提取输入的阵列信号，通过各个阵元间信号幅值间纵向对比和每个阵元与初始设置值之间横向对比，校准阵列接收信号幅值。

7.根据权利要求5所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述步骤2具体为，利用拟合方法去除信号中趋势项，将输入信号进行带通滤波，取出声压级的峰值点，设定不同阈值剔除掉毛刺噪声和不符合要求的峰值点。

8.根据权利要求5所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述步骤3和步骤4具体为，当在某时刻步骤2判决该时刻为峰值点时，提取该峰值点时刻前后各10秒为一个时间段，加入滑动窗函数做快速傅氏变换提取动态特征频点并存入动态特征频点矩阵；设定门阈值，提取动态特征频点矩阵中出现次数和能量值超过门阈值的特征频点作为静态特征频点，存入静态特征频点矩阵。

9.根据权利要求5所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述步骤5具体为，光纤水声传感器阵列中任一光纤水声传感器单元在某时刻判决出现峰值点时，以该时刻为临时时间基准点，提取其后一段时间内所有光纤水声传感器单元判决出的峰值点，并存入相关峰值点元胞。

10.根据权利要求5所述的基于光纤水声传感器阵列的内河航道实时监测系统，其特征在于：所述步骤6、步骤7和步骤8具体为，对相关峰值点元胞中峰值点对应的静态特征频点矩阵两两之间进行相似度判断，完成对比度计算，根据其每个峰值点之间相似度的判决值，对步骤2中判别为峰值点的时刻河道上船只的数量和位置进行判定，同时依据所判定位置和对应的静态特征频点矩阵，判定航向和航速。