CN104931130B - 一种数据采集传输仪以及数据采集和识别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工影响天气作业的数据采集与识别系统及其方法，该系统包括：至少一个作业站点、设置在所述作业站点内的至少一个数据采集传输仪以及接收所述数据采集传输仪发送的数据并进行处理的监控端；所述数据采集传输仪包括：用于采集声波信号并将该声波信号转换为与其对应的声级的声级计、无线传输单元、作业工具识别单元和控制单元；所述控制单元分别与所述声级计、所述无线传输单元、所述作业工具识别单元相电连接，所述无线传输单元与所述监控端电连接；本发明能够实时上传数据并实现对各作业站点的智能监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集传输仪以及数据采集和识别系统，主要应用于人工影响天气作业领域。
背景技术
目前，利用高射炮或火箭进行人工影响天气作业，从而对大气云层进行人工影响以实施人工降雨、缓解旱情、避免冰雹，这一应用已经得到了人们广泛的认识。但是，现有的高射炮或火箭人工影响天气作业数据的采集，通常是通过人为的手动记录来获得，然而，由于采集数据的过程比较繁琐、时间长，又不可避免的出现记错、漏记等现象，而且还不能实时的将采集到的数据(如：高炮、火箭炮的位置、作业工具、方位角、仰角、用弹数量)等信息及时的发送到远处的服务器或监控中心，使得不能及时的对作业进行评估，这些都会影响人工影响天气作业的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实时的采集并识别出作业站点内的声波、作业类型、连发情况的数据采集传输仪以及数据采集和识别系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种数据采集传输仪,包括：
声级计，其配置为采集声波信号并将该声波信号转换为与其对应的声级，并将该声级信息提供给控制单元；作业工具识别单元，其配置为根据所述控制单元所传输的声级信息判断作业站点的作业工具类型,并将其的判断结果传送给所述控制单元；
无线传输单元，其分别与所述控制单元和所述监控端通信连接，以在所述数据采集传输仪和所述监控端之间进行数据通信；
控制单元，其接收来自所述声级计的声级信息，并将该声级信息输出给所述作业工具识别单元，以进行作业工具类型的判断；所述控制单元还将其从所述作业工具识别单元接收的作业工具类型的判断结果和来自所述声级计的声级信息通过无线传输单元向外界通信终端发送。
其中，所述声级计包括：
声音感应单元，其采集声波信号，并将所述声波信号转换为电信号；
信号放大单元，其从所述声音感应单元接收所述声波信号，并进行功率放大；
数据处理单元，将所述声波信号转换成与其对应的声级的数据处理单元，并将转换后的声级信息输出给所述控制单元。
其中，所述声音感应单元与所述信号放大单元之间设置有衰减器，用于将声波信号的幅值调整在一特定范围内。
其中，所述数据采集传输仪还包括：
连发识别单元，其接收来自所述控制单元的声级信息，根据所述声级信息判断用弹量，并将其判断出的用弹量信息输出给所述控制单元，所述控制单元再通过无线传输单元传送给所述监控端；
峰值识别单元，其接收来自所述控制单元的声级信息，根据所述声级信息判断声级的峰值，并将其判断出的声级的峰值输出给所述控制单元，所述控制单元再通过无线传输单元传送给所述监控端。
其中，所述数据采集传输仪还包括：
仰角计算单元和方位角计算单元，根据所述控制单元接收到各所述声级计的声级信息的时间差以及各声级计相对作业工具的距离计算发射仰角和方位角，且所述仰角计算单元和方位角计算单元将计算出的发射仰角和方位角信息输出给所述控制单元。
一种数据采集和识别系统，包括：至少一个作业站点、设置在所述作业站点内的至少一个数据采集传输仪以及接收所述数据采集传输仪发送的数据并进行处理的监控端。
其中，所述监控端包括：
显示单元，其对所述无线传输单元所发送的数据进行显示；
存储单元，其对所述无线传输单元所发送的信息进行存储；以及，
数据分析单元，其接收来自所述无线传输单元的信息，并控制所述显示单元显示所述信息，并控制所述存储单元进行存储，且所述数据分析单元设有与所述无线传输单元相对应的通信接口。
其中，所述监控端是计算机、手持机、移动互联设备中的一个。
其中，每个所述数据传输仪设有与其所在的作业站点的站点名称、站点位置相对应的唯一编号，所述监控端中存储有所有数据传输仪的编号以及与其对应的站点名称和站点位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的数据采集传输仪内置有声级计和控制单元，可以实时的采集作业站点内的声波信号以及与声波信号对应的声级，并可以通过无线传输单元传送给各类通信设备和监控设备，以便对数据的存储和实时的显示，更加智能有效；
2、本发明的数据采集传输仪还可以包括：定位单元、连发识别单元、峰值识别单元、作业工具识别单元，能够实时对作业站点的作业情况进行采集和识别；
3、本发明的数据采集传输仪的采集精度高、抗干扰能力强，且测量上限大于160分贝，比同类产品的性能高很多；
4、本发明的数据采集和识别系统，实现了作业站点的智能化自动化管理。
附图说明
图1为本发明实施例的一种数据采集传输仪的结构框图；
图2为本发明实施例的声级计的信号处理流程图；
图3为本发明实施的数据采集和识别系统的框图；
图4为本发明实施例中计算作业工具的发射仰角和方位角的原理图；
图5为本发明实施例的人工影响天气的数据采集和识别方法的流程图；
图6为本发明实施例的2次单发炮弹的声波声级变化波形图；
图7为本发明实施例的2次单发炮弹的短时特征图；
图8为本发明实施例的单发前导噪声的波形图；
图9为本发明实施例的连发炮弹的声波声级变化波形图；
图10为本发明实施例的连发炮弹的短时特征图；
图11为本发明实施例的连发炮弹的前导噪声的波形图。
附图标记说明
1-声级计 2-无线传输单元
3-控制单元 4-监控端
5-定位单元 6-连发识别单元
7-峰值识别单元 8-作业工具识别单元
9-电源单元
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，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明实施例的数据采集传输仪的结构框图，壳体，以及设置在所述壳体内的用于采集声音信号并将声音信号转换为与其对应的声级的声级计1、无线传输单元2和控制单元3、对数据采集传输仪的位置进行定位并形成移动路径的定位单元5、连发识别单元6、峰值识别单元7、作业工具识别单元8、和电源单元9；其中控制单元3分别与声级计1、定位单元5、连发识别单元6、峰值识别单元7、作业工具识别单元8、电源单元9和无线传输单元2相电连接，无线传输单元2设有与外界通信的通信单元，如：WIFI模块、3G/4G模块。
其中，声级计1可以包括：至少一个采集声波信号的声音感应单元、对声波信号进行功率放大的信号放大单元以及生成与声波信号相对应的声级的数据处理单元，其中，声音感应单元与信号放大单元电连接，数据处理单元分别与信号放大单元和控制单元3电连接。本实施例中的声音感应单元可以是声波传感器。本实施例中的声级计1具有极高的测量精度，且测量上限大于160分贝，比现有的声音识别设备的测量范围要大很多。
如图2所示，为本发明实施例的声级计的信号处理流程图；
声音感应单元10对作业站点内的声波信号进行采集，本实施例中的采样频率为100次/秒，并将采集到的声波信号转换为电信号传送给信号放大单元11，在一优选的实施例中，声音感应单元10与所述信号放大单元之间电连接有衰减器13，使声波信号的声级在适当的范围内。数据处理单元12中包括：计权网络和检波器，从而增加从数据处理单元12输出的声级序列的信噪比，优化数据。优选的，数据处理单元12中还包括：第二信号放大单元和第二衰减器，该第二信号放大单元和第二衰减器设置在计权网络和检波器之间，实现高精度的测量效果，且测量上限大于160db。
如图3所示，为本发明实施例的数据采集和识别系统，包括：至少一个作业站点、设置在所述作业站点内的至少一个数据采集传输仪以及接收所述数据采集传输仪发送的数据并进行处理的监控端4。监控端4包括：数据存储单元和显示单元，以及与数据存储单元和显示单元电连接的数据分析单元，数据处理单元还与无线传输单元2电连接，从而进行相互的数据通信。
本实施例中的监控端可以是计算机、手持机、移动互联设备中的一个或多个。无线传输单元2包括：WIFI模块、3G/4G模块。另外，每个所述数据传输仪设有与其所在的作业站点的站点名称、站点位置相对应的唯一编号，所述监控端中存储有所有数据传输仪的编号以及与其对应的站点名称和站点位置。
因此，本发明利用声级感应技术，通过对人工影响天气作业使用的高射炮进行训练模拟弹和人雨弹发射等数据现场声级采集分析，可为人工影响天气地面高射炮作业数据自动采集业务及相关服务提供极大技术支持。
在一优选的实施例中，本发明的数据采集传输仪内还包括有：仰角计算单元和方位角计算单元，仰角计算单元与方位角计算单元分别与控制单元3相电连接，仰角计算单元与方位角计算单元根据控制单元3发送的声级序列计算高射炮的发射仰角和方位角。
如图4所示的本发明实施例中计算作业工具的发射仰角和方位角的原理图；其中，图4a为本发明实施例的声源定位原理图；图4b为本发明实施例中的声源定位坐标示意图。
如图4所示，在作业工具周围可以设置有多个数据采集传输仪，如本实施例中为3个，其各自内部的声音感应单元S0、S1和S2的坐标分别为(X0,Y0)、(X1,Y1)和(X2,Y2)，另外，也可以在一个数据采集传输仪内设置多个声音感应单元以实现上述结构，所述声音感应单元可以是声波传感器。当平面上某处(X,Y)发出声波时，声音感应单元接收该信号的时间分别为t0、t1和t2。则可测出通过各声音感应单元接收到数据的时间差Δt1＝t1-t0，Δt2＝t2-t0。假设声源沿媒质表面的传播速度为c，对传感器S0和S1而言，声源发生的位置应当在到该两点的距离差为cΔt2的双曲线上。利用Δt1和Δt2可以得到两条双曲线，声源所在位置即是它们的交点。把S0设为坐标原点(便于具体计算)。声源发生位置(X,Y)可以用图4中极坐标(t,θ)来表示。可通过极坐标计算出r和θ：
其中，
A＝X2(X1 2+Y1 2-Δ1 2)-X1(X2 2+Y2 2-Δ2 2)
B＝Y2(X1 2+Y1 2-Δ1 2)-Y1(X2 2+Y2 2-Δ2 2)
DΔ1(X2 2+Y2 2-Δ2 2)-Δ2(X1 2+Y1 2-Δ1 2)
通过上述方式，即仰角计算单元和方位角计算单元可确定声源的位置，再结合作业工具的位置、身管长度和基准方向，则可以计算出发射仰角和方位角。
如图5所示，为本发明实施例的数据采集和识别方法的流程图；其包括以下步骤:
S1：设置在作业站点的一个或多个数据采集传输仪中的声级计1以一采样频率对该作业站点的声波信号进行采样,并将采集到的声波信号转换成与该声波信号相对应的声级，并将其发送给控制单元3；本实施例中采用的采样频率为100次/秒，在实际操作过程中，也可以是其他的采样频率。
S2：控制单元3接收来自声级计1的声级，并根据该声级的幅值判断该作业站点是否开始作业；例如，本实施例中，当控制单元3接收到的声级的幅值大于110分贝时，则可以判断该作业站点开始作业。或者当控制单元3接收到的声级的幅值在一个0.01s内的变化值大于10分贝时，也可以判断该作业站点开始作业。在一优选的实施例中，可以通过同时满足上述两个条件来判断作业的开始。
S3：当控制单元3判断出作业站点开始作业时，作业工具识别单元8判断控制单元3在特定时间内接收到的声级的变化是否满足第一规律或第二规律，从而判断作业工具类型，并将判断结果发送至控制单元，当满足第一规律时判断作业工具类型为高射炮；当满足第二规律时判断所述作业工具类型为火箭；
其中，第一规律是：作业开始后的0.1s内，控制单元3接收到的声级中存在声级在80分贝至90分贝之间的前导噪声，且该前导噪声持续时间为0.14s至0.2s；前导噪声是分辨作业工具类型的主要因素，通常情况下，当存在前导噪声时，即可判断作业工具类型为高射炮；
第二规律是：不存在前导噪声，且在作业开始后的一个0.1s内的声波的声级的变化值大于50分贝；
S4：当所述工具类型判断单元判断出作业工具类型为高射炮时，所述控制单元通过与其电连接的连发识别单元对其接收的声级进行分析，通过判断所述声级是否满足第三规律来判断是否为连发发射，若满足所述第三规律，则判断为连发发射，若不满足所述第三规律，则判断为单发发射。
其中，第三规律是：在控制单元3接收到的声级的幅值大于120分贝的情况下，在一个0.1s内的声级的变化值大于6分贝；
S5：控制单元3将其在步骤S1-S4中任意一项中得到的数据发送给所述监控端，所述监控端对该数据进行分析、存储和显示。
在一优选的实施例中，当在步骤S3中，作业工具识别单元8判断作业工具类型为高射炮时，当在前导噪声出现后，没有出现高分贝的峰值，如大于110分贝的峰值，则判断炮弹为哑炮；此时，控制单元3将该哑炮警报通过无线传输单元2发送给监控端4，监控端监4则将该警报信息通过显示单元进行显示，以便工作人员查看并进行检测，该步骤可以起到安全警示的作用。
在另一优选的实施例中，在步骤S3和步骤S4之间还包括：控制单元3通过与其电连接的峰值识别单元7对其接收的声级的峰值进行识别，并判断峰值次数；其中，
当控制单元3判断所述作业工具类型为火箭时，在作业开始后的第一个跳跃的峰值大于120分贝；
当控制单元3判断作业工具类型为高射炮时，峰值出现在所述前导噪声后的0.02s内，且该峰值和前导噪声的声级之间的差小于30分贝。
因此，本实施例的实现了对作业站点的作业工具、声级跳跃的峰值、峰值出现的次数、炮弹数、哑炮等安全情况进行实时的报告，进一步实现了监控端4对作业站点的自动化智能监控。
下面，结合以下实施例对本发明的原理作进一步说明。
如图6、图7所示，为本发明实施例的2次单发炮弹的声波声级变化波形图和短时特征图。其中，如图6所示，对于高射炮2次单发作业，采集传输仪能够极明显地监测识别出两次声级瞬时突升过程。第一次出现在12:03:45.33时，声级峰值强度达到132.9dB；第二次出现在12:03:59.11时，峰值强度达131.9dB，两个峰值强度均超过130dB。其余时段监测的环境噪音强度则低于80dB，仅有12:03:08.32时瞬时声级超过80dB，达到80.2dB。数据精细分析显示，环境噪音的升降变化呈一个渐变过程，通常情况下，0.01s采样间隔下的连续两个时次声级差一般小于10dB。因此，可判断分别在12:03:45.33和12:03:59.11时开始作业。
从图7中两次单发作业的短时声级特征可知，对于两次单发作业，声级瞬时突升明显，且每次突升过程之前还都伴随出现了一个声级范围介于80dB～90dB、平均强度约为85dB的较强噪音，即“前导噪声”。结合如图8所示的第一发单发炮弹的前导噪声波形图可知，前导噪声从12:03:45.12时后出现，较稳定地持续到12:03:45.26，持续时间约0.14s，之后便突升接近或超过120dB。通过上述特征可以判断出作业工具类型为高射炮。同时根据波形的峰值次数，可判断炮弹数为2发。
如图9、图10所示，为本发明实施例的连发炮弹的声波声级变化波形图和短时特征图。如本实施例中以6连发为例进行说明，相对于作业站点内绝大部分声级弱于80dB的环境噪音，高射炮连发作业时声级短时突升非常显著，其峰值也可以达到130dB之上，以此可以确定开始作业。高射炮6连发发射通过声级变化来识别非常容易，可以明显分辨出每发作业的声级特征。此外，伴随高射炮连发作业，同样监测到存在一次前导噪声，可见，前导噪声已是高射炮连发射击的一个明显标识。
如图11所示，为本发明实施例二的多连发炮弹的前导噪声的波形图。高射炮6连发作业，首先监测到前导噪声，出现时间在12:10:10.55时之后，至12:10:10.69时前导噪声结尾，共持续0.14s，声级稳定在85dB上下。这与单发作业前导噪声特征相似。前导噪声一结束，对应连发的第1发作业，声级便迅速跃升，在0.01s内从12:10:10.69时86.6dB一下跃升至12:10:10.70时118.6dB，增强32.0dB。再到12:10:10.71时，声级已超过130dB，达到134.1dB，峰值出现在12:10:10.74时，强度135.9dB并接近140dB。紧接着，强度开始递减，至12:10:11.06时减为126.6dB。在连发第2发开始后，声级又再次突升。与此类似，紧随其后其余各发作业声级变化特征相似(见图8)。从前导噪声出现到12:10:12.51时连发的第6发作业声级达到峰值，整个过程累计持续时间仅1.96s。
综上所述，本发明针对人工影响天气火箭和高炮作业现场显著的特点,集成应用精密脉冲声级感应技术自动采集火箭、高炮作业过程中发出的巨大声响,并通过声级阈值自动识别火箭和高炮两类不同作业工具类型及其对应的作业时间、作业用量等准确信息。
通过利用声级感应技术和无线数传技术,可以充分实现对作业信息的自动化快速采集与传输,并通过作业信息共享,实现各级指挥中心对地面火箭、高炮作业信息的动态监控,利于实时掌握地面作业情况。
本发明实施例集数据采集和传输于一体，综合利用声级感应、无线网络传输和GPS定位实现人工影响天气地面作业数据的无人值守、主动实时采集传输。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种数据采集传输仪,其特征在于：包括：
声级计，其配置为采集声波信号并将该声波信号转换为与其对应的声级，并将该声级信息提供给控制单元；
作业工具识别单元，其配置为根据所述控制单元所传输的声级信息判断作业站点的作业工具类型,并将其的判断结果传送给所述控制单元；其中，所述作业工具识别单元配置为在所述声级信息的变化满足第一规律时判断作业工具类型为高射炮，在所述声级信息的变化满足第二规律时判断作业工具类型为火箭；
其中，第一规律是作业开始后的0.1s内，存在声级在80分贝至90分贝之间的前导噪声；第二规律是不存在前导噪声，且在作业开始后的一个0.1s内声级的变化值大于50分贝；
无线传输单元，其分别与所述控制单元和一监控端通信连接，以在所述数据采集传输仪和所述监控端之间进行数据通信；
控制单元，其接收来自所述声级计的声级信息，并将该声级信息输出给所述作业工具识别单元，以进行作业工具类型的判断；所述控制单元还将其从所述作业工具识别单元接收的作业工具类型的判断结果和来自所述声级计的声级信息通过无线传输单元向外界通信终端发送。
2.根据权利要求1所述的数据采集传输仪，其特征在于：所述声级计包括：
声音感应单元，其采集声波信号，并将所述声波信号转换为电信号；
信号放大单元，其从所述声音感应单元接收所述声波信号，并进行功率放大；
数据处理单元，将所述声波信号转换成与其对应的声级的数据处理单元，并将转换后的声级信息输出给所述控制单元。
3.根据权利要求2所述的数据采集传输仪，其特征在于：所述声音感应单元与所述信号放大单元之间设置有衰减器，用于将声波信号的幅值调整在一特定范围内。
4.根据权利要求1所述的数据采集传输仪，其特征在于：所述数据采集传输仪还包括：
连发识别单元，其接收来自所述控制单元的声级信息，根据所述声级信息判断用弹量，并将其判断出的用弹量信息输出给所述控制单元，所述控制单元再通过无线传输单元传送给所述监控端；
峰值识别单元，其接收来自所述控制单元的声级信息，根据所述声级信息判断声级的峰值，并将其判断出的声级的峰值输出给所述控制单元，所述控制单元再通过无线传输单元传送给所述监控端。
5.根据权利要求1所述的数据采集传输仪，其特征在于：所述数据采集传输仪还包括：
仰角计算单元和方位角计算单元，根据所述控制单元接收到各所述声级计的声级信息的时间差以及各声级计相对作业工具的距离计算发射仰角和方位角，且所述仰角计算单元和方位角计算单元将计算出的发射仰角和方位角信息输出给所述控制单元。
6.一种包括如权利要求1-5中任意一项所述的数据采集传输仪的数据采集和识别系统，其特征在于：所述系统包括：至少一个作业站点、设置在所述作业站点内的至少一个数据采集传输仪以及接收所述数据采集传输仪发送的数据并进行处理的所述监控端。
7.根据权利要求6所述的数据采集和识别系统，其特征在于：所述监控端包括：
显示单元，其对所述无线传输单元所发送的数据进行显示；
存储单元，其对所述无线传输单元所发送的信息进行存储；以及，
数据分析单元，其接收来自所述无线传输单元的信息，并控制所述显示单元显示所述信息，并控制所述存储单元进行存储，且所述数据分析单元设有与所述无线传输单元相对应的通信接口。
8.根据权利要求6所述的数据采集和识别系统，其特征在于：所述监控端是计算机、手持机、移动互联设备中的一个。
9.根据权利要求6所述的数据采集和识别系统，其特征在于：每个所述数据传输仪设有与其所在的作业站点的站点名称、站点位置相对应的唯一编号，所述监控端中存储有所有数据传输仪的编号以及与其对应的站点名称和站点位置。
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