CN106230479A - 一种管道应急声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管道应急声通信方法，包括：将待传输的信息转换为二进制数字信号；将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；从接收到的信号中截取一段信号作为参考信号与原信号求相关，通过最短重叠分析的方法译码得到所传输的信息。本发明降低了时延测量误差，保证了译码的正确率，通信速率比现有管道应急声通信系统提高了约118%，且计算量小，具备一定的抗干扰性能。

Description

一种管道应急声通信方法

技术领域

本发明涉及管道应急声通信技术领域，具体为一种管道应急声通信方法。

背景技术

煤矿是我国的重要能源之一，煤矿开采时因地质条件复杂、高瓦斯、违规开采等原因，煤矿安全事故在国内外都时有发生。在现有的矿井通信系统时，有线和无线通信的链路都很容易受到破坏，导致无法进行及时有效的通信，以刚性管道作为传输媒介的管道应急声通信系统作为一种应急的通信手段，具有很好的生存性能，提高了矿难发生时营救的通信保障。

现有的管道应急声通信系统中，管道声信号的编码方式采用的是类似于莫尔斯电码的格式编码或类似S模式应答信号格式的编码。采用类似于莫尔斯电码的格式编码方式中，用9个声脉冲表示“报头”，用6个声脉冲表示bit“1”，用3个声脉冲表示bit“0”，接收端进行端点检测以提取其特征值，再对其进行模糊聚类实现“报头“、bit“1”和bit“0”的分离。这样的编码效率比较低，信息传输比较慢，约只有0.14bit/s，信息传输效率在17％～33％之间。采用类似S模式应答信号格式的编码方式中，用先有0.1s的声脉冲后停止0.4s表示bit“1”，用停止0.5s表示bit“0”，用长度为4s的4个固定位置的声脉冲来表示信息组的前导，每个信息组有7个码元，采用(7，4)循环码，信息传输速率约为0.93bit/s，传输效率接近56％。虽然采用类似S模式应答信号格式的编码方式信息速率和编码效率都有所提升，但仍然比较低。管道应急声通信系统的信息传输速率仍然有待提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种传输效率更高的管道应急声通信方法，技术方案如下：

一种管道应急声通信方法，包括

将待传输的信息转换为二进制数字信号；

将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；

通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；

根据采集到的声信号译码得到所传输的信息。

进一步的，所述译码的方法如下：

建立能够存放N帧数据的数据处理数组，N为携带一个完整码元的最短数据的帧数向上取整，也即：

$N=\[\frac{2T_p+\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}(2^n-1)}{T_f}\]+1$

其中，T_f为采集一帧数据所用的时间，T_p为完成一次敲击所需要的时间，△τ为编码量化间隔，n为每个码元携带的bit数；

每次执行时将数据处理数组中的各帧数据顺次前移一帧的位置，最前的一帧数据移出，当前接收到的一帧数据存放入最后一帧的位置；

从接收到的信号中截取一段信号作为时延估计的参考信号；

用上述参考信号与当前数据处理数组做一次滑动相关，得到一组敲击信号的相关峰；

对该组敲击信号的相关峰进行时延差译码，计算各相邻峰值之间的时间差，然后通过聚类得到数据处理数组中的N帧数据携带的码元信息；

从该组敲击信号的相关峰中截取前N-1帧数据所对应的相关峰，进行时延差译码并计算相邻峰值之间的时间差，再通过聚类得到前N-1帧数据携带的码元信息；

对比上述N帧数据携带的码元信息和前N-1帧数据携带的码元信息，计算得到最后一帧数据携带的码元信息，即为接收到的当前信息。

更进一步的，所述参考信号的截取方法为：

确定敲击信号：从接收到的信号中读取N帧数据，并进行滤波以提高有用信号的信噪比，若滤波后的信号中幅度小于预设的幅度阈值的点数小于预设的数量阈值，则认定无敲击信号，否则认定为有敲击信号；

对有敲击信号的数据进行短时傅里叶变换，并计算各频率点的能量；

选取能量最大的频率点，截取该频率点处连续不为零的一段信号作为时延估计的参考信号。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用差分Pattern时延差编码技术将信息调制于敲击管道的时间间隔中，通信速率比现有管道应急声通信系统提高了约118％；

2)本发明通过分析能量最强频率点从接收到的信号中截取参考信号与原信号求相关，根据相关峰的位置可以较精确的得到敲击信号间的时延差，降低时延测量误差，从而保证译码的正确率；

3)本发明通过使用相干重置技术来估计时延差，提高了管道应急声通信系统的抗干扰性；

4)本发明在数据处理过程中使用最短重叠分析的方法译码，有效的减小了接收端译码的计算量。

附图说明

图1为本发明管道应急声通信方法的系统框图。

图2为本发明管道应急声通信编码示意图。

图3为本发明管道应急声通信系统中接收端数据处理流程图。

图4为本发明管道应急声通信方法中相关处理后的信号示意图。

图5为本发明管道应急声通信方法中译码过程信号处理示意图。

图6为本发明管道应急声通信方法中参考信号的截取方法流程图。

图7为本发明管道应急声通信方法中最短重叠分析法步骤流程图。

图8为本发明实施实例中接收端采集到的一段敲击信号的时域波形图。

图9为本发明实施实例中相关处理后得到的信号相关峰值位置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。如图1所示，一种管道应急声通信方法步骤如下：

在发信端将待传输的信息进行信息编码，转换为二进制数字信号；

再将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；

然后通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；

接收端根据采集到的声信号滤波去噪后进行时延差译码得到所传输的信息。

具体实施过程如下：

1、发信端编码实现方法：

按照图2所示的差分Pattern时延差编码示意图，将敲击管道产生的声信号作为Pattern码，T_p为发信机完成一次敲击所需要的时间；T_i表示第i个敲击的时刻；τ_i表示调制的时间，τ_i∈[0,T_c]，其中T_c为最大编码时间。若每个码元携带nbit信息，则将最大编码时间T_c分为2ⁿ-1份，编码量化层例如，当每个码元携带4bit信息时，则将编码时间均匀分成15份。第i个码元的时延差为

τ_i＝T_i+1-T_i-T_p＝k_i×△τ(k_i＝0,1,…2ⁿ-1)

式中，第i个码元信息的参考时基是前一码元，不同的τ_i代表不同的信息，若k＝0，则代表信息“0000”，时延差τ＝0；若k＝8，则代表信息“1000”，时延差τ＝8×△τ。

2、接收端数据采集与处理过程：

接收端采用如图3所示，数据采集与数据处理并行的处理方式，在Labview环境下实现，当数据采集速度大于数据处理速度时，来不及处理的数据被放在缓冲队列中。采集循环每执行一次，从数据缓存区读取一次数据，每次取到的数据组成一个元素经过去偏置后进入队列。处理循环每执行一次，从队列中取一个元素进行处理。

3、接收端数据处理的实现：

译码过程如图5流程图所示，详细步骤如下：

a、对接收到的原始信号滤波去噪。

通过对原始信号滤波，提高有用信号的信噪比。

b、参考信号截取

管道应急声通信中用来传输信息的敲击脉冲频率与发信机敲击锤的材质和管道材质有关，无法使用拷贝相关的方法检测同步码，进行同步后截取参考信号。参考信号的截取对整个通信系统的有效性起着至关重要的作用，本发明中采用分析能量最强频率点截取参考信号的方法来截取参考信号。

具体实现流程如图6所示，首先从接收到的信号中读取N帧数据，并进行滤波以提高有用信号的信噪比，然后对滤波后的信号进行有用信号的检测，若采集到的信号中幅度小于预设的幅度阈值的点数小于预设的数量阈值，则认定为无敲击信号，否则认定为有敲击信号。若含有敲击信号，对这段信号进行短时傅里叶变换，并计算各频率点的能量；选取能量最大的频率点，截取该频率点处连续不为零的一段信号作为时延估计的参考信号。

c、与原始信号求相关

为了精确的进行时延估计，采用相干重置技术进行时延测量译码，相干重置技术即从接收到的信号中截取一段信号作为参考信号与原信号求相关。使用该技术利用了敲击信号的一致性和管道信道的时不变性，即信号经过管道后仍然具有一致性。图2中信号经过相关处理后的信号示意图如图4所示。

d、时延估计

计算敲击间的时延差，对上一步中得到的如图4所示的信号求相关峰间的时延差。

e、量化和聚类后得到信息

对得到的相关峰间的时延差进行量化后，通过聚类得到信息。

4、数据处理处理过程使用最短重叠分析的方法译码得到当前信息

对采集到的数据进行分析处理和译码，在以往的系统中，有两种处理方式，一种是采用接收完，再处理的方式，数据一次处理量大，接收到的信息不能实时输出。另一种是实时处理的方式，数据处理程序每秒调用一次，每次处理能包含一帧信息的数据，当处理的数据中正好包含有一帧信息时，实现信息输出。由于采用类似莫尔斯码的编码方式，数据处理较简单，接收端计算机处理比较流畅，但采用基于差分Pattern时延差编码的方式，每次要进行参考信号与能包含一帧信息的信号进行相关运算，计算机中数据处理的计算量比较大，数据采集速度将远大于数据处理速度(具体情况视计算机性能)，严重影响了数据处理的实时性。

本实发明中采用最短重叠分析的方法，实现了数据处理实时性的同时保证了计算量的最小，具体实现流程如图7所示，详细步骤如下：

a、建立能够存放N帧数据的数据处理数组，N为携带一个完整码元的最短数据的帧数向上取整，也即：

$N=\[\frac{2T_p+\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}(2^n-1)}{T_f}\]+1$

其中，T_f为采集一帧数据所用的时间，T_p为完成一次敲击所需要的时间，△τ为编码量化间隔，n为每个码元携带的bit数。

每次执行处理循环时将数据处理数组中的各帧数据顺次前移一帧的位置，最前的一帧数据移出，当前接收到的一帧数据存放入最后一帧的位置。

b、用上述参考信号与当前数据处理数组做一次滑动相关，得到一组敲击信号的相关峰。为了精确的进行时延估计，采用相干重置技术进行时延测量译码，相干重置技术即采用上述时延估计的参考信号与原信号求相关求得时延差。使用该技术利用了敲击信号的一致性和管道信道的时不变性，即信号经过管道后仍然具有一致性。图2中信号经过相关处理后的信号示意图如图4所示。

c、对该组敲击信号的相关峰进行时延差译码，计算各相邻峰值之间的时间差，对上一步中得到的如图4所示的信号求相关峰间的时延差，进行量化后，依照编码的规则，基于距离进行聚类得到数据处理数组中的N帧数据携带的码元信息。从该组敲击信号的相关峰中截取前N-1帧数据所对应的相关峰，进行时延差译码并计算相邻峰值之间的时间差，再通过聚类得到前N-1帧数据携带的码元信息。

d、对比上述N帧数据携带的码元信息和前N-1帧数据携带的码元信息，计算得到最后一帧数据携带的码元信息，即为接收到的当前信息。

将接收到的当前信息放入信息输出数组中。由于使用差分时延差编码，一帧接收数据中所包含的信息量不确定，计算得到的当前帧的码元信息个数n，对信息输出数组左移位n位，当前帧的码元信息由高到低存入信息数组。

5、在消防管道上的实施实例：

在实施实例中，发信机通过键盘输入0-9，A-F来发送信息，发信机完成一次敲击所需的时间为T_p＝0.596s，设置编码量化层△τ＝0.1s，通过控制敲击的时间间隔0s，0.1s，0.2s...0.9s，1.0s...1.5s来表示发送信息0-9，A-F。发送流程为：使用1.6秒时间间隔作为报头和报尾，每次发送8个信息码，信息的发送过程为：敲击，时延1.6s，敲击，时延τ₀，敲击，时延τ₁，敲击，……，时延τ₈，敲击，时延1.6s，敲击。采集卡采样率为44100hz，每秒一帧数据，每帧44100个数据点。使用差分输入连续采样的方式进行采集数据。

在上述实施例中，从统计的角度分析，发送一个信息码的平均时间为则通信速率为即在相同的条件下，通信速率与采用类似S模式应答信号格式的编码方式相比，通信速率由原来的0.93bit/s提高到了2.03bit/s，提高了约118％。

在上述实施例中，每帧数据对应1s的采样时间，单独处理1s的数据得不到所需信息，在实验条件下发信端完成一次敲击所用时间是0.596s，编码量化层为0.1s，报头和报尾时延为1.6s，则两个敲击信号的时间加上编码时延的时间为2.792s，即为一个码元所占用的时间。为保证处理的数据段都能包含一个完整码元的数据，每次处理数据的帧数至少为3帧。数据处理循环每秒调用一次，即每次重叠处理了2帧的数据。将数据处理数组中的3帧数据与参考信号做相关处理后，得到信号峰值的位置图，分别对这3帧数据和前2帧数据对应的相关峰进行时延差译码，对得到的码元信息做差，即得到了当前帧的码元信息。由于使用差分时延差编码，一帧接收数据中所包含的信息量不确定，计算得到的当前帧的码元信息个数n，对信息输出数组左移位n位，当前帧的码元信息由高到低存入信息数组。

在上述实施例中采用最短重叠分析的方法，实现了数据处理实时性的同时保证了计算量的最小，同样输出40s的数据信息，每秒需要计算点数仅为44100×3，计算量仅为原来的7.5％，且计算量与实时信息输出长度无关。使用该方法，收信机实现了数据流的实时动态显示，实时显示每秒接收到的信息；在数据采集与数据处理循环中，保证了数据处理循环一次所需要时间小于数据采集循环，数据处理循环每秒只需处理最少的数据量，就能成功分析出当前时刻接收到的数据对先前数据的影响(当前时刻加上先前时刻数据所能解出的结果)。

在上述实施例中按照图6所示截取参考信号的流程从数据处理数组中截取参考信号，首先对滤波后的信号进行有用信号的检测，若采集到的信号中幅度小于预设的幅度阈值的点数小于预设的数量阈值，则认定为不含敲击信号，否则认定为含有敲击信号。若含有敲击信号，本实施例数量阈值为3000。对敲击信号进行短时傅里叶变换，并计算各频率点的能量；选取能量最大的频率点，截取该频率点处连续不为零的一段信号作为敲击参考信号。

图8为上述实施例中接收到的一段信号，可以看到在20s，38s，39s处有较强的干扰信号(频率与敲击声信号不同)，图9为与参考信号求相关后的峰值图，可以求相关后去除了干扰信号的干扰，经过时延估计译码可以得到正确的信息。

Claims (3)

1.一种管道应急声通信方法，其特征在于，包括

将待传输的信息转换为二进制数字信号；

将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；

通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；

根据采集到的声信号译码得到所传输的信息。

2.根据权利要求1所述的管道应急声通信方法，其特征在于，所述译码的方法如下：

建立能够存放N帧数据的数据处理数组，N为携带一个完整码元的最短数据的帧数向上取整，也即：

$N=\[\frac{2T_p+\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}(2^n-1)}{T_f}\]+1$

其中，T_f为采集一帧数据所用的时间，T_p为完成一次敲击所需要的时间，Δτ为编码量化间隔，n为每个码元携带的bit数；

从接收到的信号中截取一段信号作为时延估计的参考信号；

每次执行时将数据处理数组中的各帧数据顺次前移一帧的位置，最前的一帧数据移出，当前接收到的一帧数据存放入最后一帧的位置；

用上述参考信号与当前数据处理数组做一次滑动相关，得到一组敲击信号的相关峰；

对该组敲击信号的相关峰进行时延差译码，计算各相邻峰值之间的时间差，然后通过聚类得到数据处理数组中的N帧数据携带的码元信息；

从该组敲击信号的相关峰中截取前N-1帧数据所对应的相关峰，进行时延差译码并计算相邻峰值之间的时间差，再通过聚类得到前N-1帧数据携带的码元信息；

对比上述N帧数据携带的码元信息和前N-1帧数据携带的码元信息，计算得到最后一帧数据携带的码元信息，即为接收到的当前信息。

3.根据权利要求2所述的管道应急声通信方法，其特征在于，所述参考信号的截取方法为：确定敲击信号：从接收到的信号中读取N帧数据，并进行滤波以提高有用信号的信噪比，若滤波后的信号中幅度小于预设的幅度阈值的点数小于预设的数量阈值，则认定无敲击信号，否则认定为有敲击信号；

对有敲击信号的数据进行短时傅里叶变换，并计算各频率点的能量；

选取能量最大的频率点，截取该频率点处连续不为零的一段信号作为时延估计的参考信号。