CN107238483A - 用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置、系统及方法，采集装置包括上挡板和下挡板、以及设置在两块挡板间用于防止卵砾石和含砂水流冲击的防护罩，上挡板、下挡板和防护罩围成一个腔体；在腔体内固定安装有用于采集卵砾石输移音频的拾音器和多个用于采集卵砾石输移过程中上挡板和下挡板承受卵砾石压力的应变式传感器，拾音器固定安装在上挡板或下挡板上，应变式传感器固定安装在上挡板和下挡板之间。采集系统包括多个布置在河床上的采集装置、设置在岸边的基站、以及与基站通信连接的服务器，采集装置和基站通信连接。无论水流速度高或低、卵砾石输移量多或少，上述采集装置和采集系统都能够长期精确监测卵砾石运动。

Description

用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置、系统及方法

技术领域

本发明属于航道观测领域，具体涉及一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置、系统及方法。

背景技术

三峡水库蓄水运行后，库区航道条件得到了大幅度的改善，但仍不能完全适应现阶段的航运发展。根据多年的航道泥沙原型观测分析工作认为，变动回水区浅滩阻碍航行主要是由于卵砾石的冲淤变化所引起的，目前受观测设备和观测技术的限制，无法有效获取原型卵砾石输移的实时运动特性，因此对于变动回水区卵砾石浅滩冲淤规律认识尚不明确。

现有的推移质观测技术主要分为两大类：直接测量法和间接观测法。直接测量法主要是借助于各种尺寸结构的采样器和装置，直接测量推移质，采用得较多的是压差式采样器和坑测法。间接测量法主要是以各种物理原理为基础，通过测量与推移质运动相关的参数，间接计算出推移质输沙率，主要有示踪法、光测法、声学法等。

由于推移质运动具有时间和空间的随机性，利用采样器采样无法捕捉准确信息，且采样器在采样过程中干扰设备周围水流条件，高速运动的推移质颗粒会撞击采样器，造成一定的损坏，船上作业也不适用于高速水流情况；坑测法，只能估计洪水过后的卵砾石输移量，无法获知推移质质量随时间的动态变化；示踪法，无论是采用放射性粒子、无线电追踪技术、还是磁性示踪粒子，可研究粒径范围有限，且粒子在运动过程中相互掩埋，回收率低，其中有些粒子会对环境造成一定污染，且造价高，测试成本大；光测法，主要是通过高清摄像头观测水下推移质运动，这对观测环境的水质、含沙量有较高要求，必须对仪器进行必要的防护，同时给予有效地照明措施；超声地形仪受分辨率、时效性、水流条件以及含沙量影响较大，观测成果难以达到要求。

无论是在低速水流、还是高速水流条件下都可以用声学法来测量推移质的输移量。目前，已经有很多人采用声学法进行河流推移质观测，如申请号为201510915272.9的发明专利，用于卵砾石输移观测的声音采集系统、采集装置和采集方法，其采集方法的技术特征如下：安放水听器，在河床的长度方向和宽度方向纵横布置多个水听器，将水听器固定布置在河水中；一一对应布置发声器，将每一个发声器布置在河床床面上且位于相应的一个水听器的下方。可以多点、多区域地同时采集和记录卵砾石的输移运动。但该方案仍存在一些待改进的地方，例如，当水流速度过大的时候，卵砾石的数量、卵砾石在水流中的分布层数都会急剧增多，此时用声测法测量的准确度很差。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种无论水流速度高或低、卵砾石输移量多或少、均能够长期精确监测卵砾石运动的用于卵砾石输移压力与输移音频检测的采集装置、系统以及方法，解决了在高速水流或者卵砾石数量过多的情况下卵砾石运动检测不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，包括上挡板和下挡板、以及设置在两块挡板间用于防止卵砾石和含砂水流冲击的防护罩，上挡板、下挡板和防护罩围成一个腔体；在腔体内固定安装有用于采集卵砾石输移音频的拾音器和多个用于采集卵砾石输移过程中上挡板和下挡板承受卵砾石压力的应变式传感器，拾音器固定安装在上挡板或下挡板上，应变式传感器固定安装在上挡板和下挡板之间。

本申请中，采集装置布置在河流底面；上挡板、下挡板和防护罩的材质均选用钢板，相互之间通过螺栓固定连接；防护罩可以防止卵砾石和含砂水流冲击，保护腔体内部的电子设备的安全，降低水下环境的影响，增加电子设备的使用寿命，同时，也可以方便设备后续的维护；拾音器设置在腔体内，用于采集卵砾石从采集装置上方输移的声音信息；应变式传感器固定安装在上挡板和下挡板之间，用于测量卵砾石从装置上方输移过程中卵砾石对上挡板和下挡板的压力信息；通过分析采集的音频信息和压力信息来确定河底卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹。

进一步地，作为优化，所述拾音器固定安装在上挡板中部区域。因为上挡板和下挡板间存在一定的距离，且卵砾石是从采集装置上方经过，将拾音器安装在上挡板内侧中部比安装在下挡板上更有优势，接收音频的音量更大，可以提高音频的接收效率和接收准确率。

进一步地，作为优化，应变式传感器上端感测点经弹性件与上挡板固定贴合，应变式传感器下端感测点与下挡板间设有沿竖直方向的支撑杆和柱状形的底座；支撑杆的顶端与应变式传感器下端感测点固定贴合，支撑杆的底端与底座顶部固定连接；下挡板内侧对应底座的位置向内凹陷设有用于容纳底座的容纳腔，底座的底部伸进容纳腔与下挡板贴合。

上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置中，应变式传感器的检测原理为：在上挡板和下挡板间固定设置感测件，感测件可以随上挡板或下挡板机械变形，应变式传感器的应变片粘贴在感测件上，应变片随感测件机械变形；应变片的材料为金属，金属的电阻随着变形程度而变化，随着电阻变化，对应的检测电压也会变化，通过检测电压来确定对应承受压力的变化。在应变式传感器上端感测点和上挡板间设置弹性件，可以避免应变式传感器上端感测点和上挡板刚性连接，同时又能保证对压力变化的灵敏性；下挡板内侧对应底座的位置向内凹陷设有用于容纳底座的容纳腔，底座的底部伸进容纳腔与下挡板贴合，方便整体部件的安装拆卸，同时可以防止底座不稳定、易滑动的情况。

进一步地，作为优化，防护罩上设有用于安放线缆的圆孔。线缆包括数据线和电源线等。在圆孔处可以设置防水圈，防护罩和防水圈相互结合利用，可以避免河水进入腔体内。

进一步地，作为优化，还包括用于将采集装置固定在河床上的固定装置，固定装置固定安装在下挡板底部。

将本申请中的采集装置固定在河底，可以定点采集此处或者附近区域的卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹，实际使用中，会在河底等距布置多个采集装置，将采集装置固定，也有利于提高卵砾石输移分析的准确性。

一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统，包括多个布置在河床上的采集装置、设置在岸边用于对采集信息进行预处理的基站、以及与基站通信连接的服务器；所述采集装置为上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置；采集装置和基站通信连接。

上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统中，多个采集装置均匀地分布在河底，用于检测布置点或布置点周围的卵砾石输移情况；采集装置可以定期回收、不惧掩埋；基站设置在河岸边，一个基站可以监管多个采集装置的采集信息，基站对采集信息的预处理主要是对声音信息进行预处理，包括过滤和增强等处理方式，基站将预处理后的采集信息传输到服务器；基站起到中转和预处理的作用，可以减轻数据传输的负担，提高采集信息的利用效率；通过服务器可以实时远程监控卵砾石输移情况，可以观测卵砾石运动的空间分布。

进一步地，作为优化，用于采集卵砾石输移压力与输移音频的采集装置通过线缆与基站连接，基站和服务器通过无线通信连接。

上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统中，采集装置采集的音频信息和压力信息通过线缆传输到岸边的基站，虽然传输方式也可以用无线传输，但考虑到水底环境复杂、无线信号弱和传输距离限制等情况，选用线缆传输，线缆传输信息稳定、传输距离远，经测试，线缆传输距离可达3000米，使用范围广，一个基站可管理一个较大范围内的采集装置。

进一步地，作为优化，线缆紧贴河床且呈直线布置。日常生活中，河面往往有很多来往的船只和一些漂浮的杂物，河水中也有很多水草和往复游动的鱼虾，若让线缆漂浮在河面或者在河水中间，容易与船只、杂物或水草缠绕在一起，易引起安全事故，因此将线缆紧贴河床布置，可以避免出现上述请况，同时，河底的水流冲击力相对较小，可以一定程度地保护线缆。让线缆在河床上呈直线布置，也是为了避免线缆太多与杂物缠绕，也可以降低成本。

一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集方法，包括以下步骤：

采集装置布置步骤：在河床的长度方向和宽度方向交错等距地布置多个采集装置，并通过固定装置将采集装置固定在河床上；采集装置与岸边基站间的线缆紧贴河床且呈直线布置；

信息采集步骤：拾音器实时采集河底卵砾石输移的音频信息，应变式传感器实时采集河底卵砾石输移过程中上挡板与下挡板承受卵砾石的压力信息；采集装置将采集的音频信息和压力信息通过线缆传输到基站；基站对采集的音频信息和压力信息进行预处理，基站将预处理后的音频信息和压力信息传输到服务器；

信息分析步骤：基站对采集的音频信息和压力信息进行预处理，基站将预处理后的音频信息和压力信息传输到服务器；服务器对采集的音频信息和压力信息进行分析对比，当音频信息对应的音量分贝小于音量预设值或者压力信息对应的压力值小于压力预设值时，通过分析音频信息对应的音量分贝来确定卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹；当音频信息对应的音量分贝大于等于音量预设值或者压力信息对应的压力值大于等于压力预设值时，则通过分析压力信息对应的压力值来确定卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹。

进一步地，作为优化，通过分析音频信息的特征参数来识别出音频信息中的卵砾石输移音频信息；所述特征参数包括音频信息的峰值频率、基音频率及音频信息经小波变换后的能量分布特征。

当河流中卵砾石输移数量较少或者水流流速较慢时，应变式传感器受到来自卵砾石的压力小，上挡板和下挡板的变形很小，通过应变式传感器检测的压力变化来分析卵砾石的运动误差较大，此时比较适合用拾音器采集的音频信息来分析卵砾石的运动；当河流中卵砾石输移数量较多或者水流流速快时，用拾音器检测音频会检测到很多复杂信号，通过拾音器采集的卵砾石输移音频信息来分析卵砾石的运动误差较大，此时通过应变式传感器检测的压力变化来分析卵砾石的运动比较合适。

附图说明

图1为本发明用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置的结构示意图；

图2为图1中下挡板和防护罩的俯视图；

图3为本发明用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统的系统框图；

图4为本发明用于卵砾石输移压力与输移音频的采集方法的操作流程图；

图5为本发明实施例中卵砾石、船舶、水三种声音信号的峰值频率概率密度分布曲线图；

图6为本发明实施例中卵砾石、船舶、水三种声音信号基音频率概率密度分布曲线图；

图7为本发明实施例中卵砾石、船舶、水三种声音信号的能量分布特征图；

图8为本发明实施例中合成声音的时域波形；

图9为本发明实施例中声音片段的特征分布图；

图10为本发明实施例中合成信号的识别结果。

附图标记：

1、上挡板；2、下挡板；3、防护罩；4、拾音器；51、应变式传感器；52、底座；53、支撑杆；6、容纳腔；7、固定装置；8、螺栓。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

最优实施例：

参照图1和图2，一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，包括上挡板1和下挡板2、以及设置在两块挡板间用于防止卵砾石和含砂水流冲击的防护罩3，上挡板、下挡板和防护罩围成一个腔体；在腔体内固定安装有用于采集卵砾石输移音频的拾音器和多个用于采集卵砾石输移过程中上挡板和下挡板承受卵砾石压力的应变式传感器51，拾音器固定安装在上挡板或下挡板上，应变式传感器固定安装在上挡板和下挡板之间。

本申请中，采集装置布置在河流底面；上挡板、下挡板和防护罩的材质均选用钢板，相互之间通过螺栓8固定连接；防护罩可以防止卵砾石和含砂水流冲击，保护腔体内部的电子设备的安全，降低水下环境的影响，增加电子设备的使用寿命，同时，也可以方便设备后续的维护；拾音器设置在腔体内，用于采集卵砾石从采集装置上方输移的声音信息；应变式传感器固定安装在上挡板和下挡板之间，用于测量卵砾石从装置上方输移过程中卵砾石对上挡板和下挡板的压力信息；通过分析采集的音频信息和压力信息来确定河底卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹。

具体实施过程中，上挡板和下挡板的尺寸相同，采用长为600mm、宽为600mm、厚度为10mm的钢板；防护罩采用厚度为2mm的钢板合成502mm×502 mm×75 mm（长×宽×高）的立体矩形框架；防护罩底部边缘设置有20mm的折边，通过螺丝与下挡板固定连接；下挡板的边角上还设置有八个孔，孔径6mm，用于采集装置的布放；防护罩各边缘还预留6mm的小孔，安放有弹性件，用以衔接防护罩上边缘与上挡板间的间距，保证应变式传感器与上挡板、下挡板间不存在刚性连接，且能保持对压力变化的灵敏性，同时也可以密封整个腔体，防止腔体内进水；弹性件可以选用弹性塑料压条。

本实施例中，所述拾音器4固定安装在上挡板中部区域。因为上挡板和下挡板间存在一定的距离，且卵砾石是从采集装置上方经过，将拾音器安装在上挡板内侧中部比安装在下挡板上更有优势，接收音频的音量更大，可以提高音频的接收效率和接收准确率。

本实施例中，防水型拾音器被水密在腔体内，拾音器的声音敏感部件紧贴上挡板，使拾音器只能检测采集装置上挡板上方卵砾石运动产生的声音；经过试验，即使是在采集装置旁边旁边大声说话，拾音器也没有采集到声音，这解决了由于环境噪声过大导致卵砾石运动声音被淹没的情况，大大降低了后期对声音信息的分析难度。

本实施例中，应变式传感器上端感测点经弹性件与上挡板固定贴合，应变式传感器下端感测点与下挡板间设有沿竖直方向的支撑杆53和柱状形的底座52；支撑杆的顶端与应变式传感器下端感测点固定贴合，支撑杆的底端与底座顶部固定连接；下挡板内侧对应底座的位置向内凹陷设有用于容纳底座的容纳腔6，底座的底部伸进容纳腔与下挡板贴合。

上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置中，应变式传感器的检测原理为：在上挡板和下挡板间固定设置感测件，感测件可以随上挡板或下挡板机械变形，应变式传感器的应变片粘贴在感测件上，应变片随感测件机械变形；应变片的材料为金属，金属的电阻随着变形程度而变化，随着电阻变化，对应的检测电压也会变化，通过检测电压来确定对应承受压力的变化。在应变式传感器上端感测点和上挡板间设置弹性件，可以避免应变式传感器上端感测点和上挡板刚性连接，同时又能保证对压力变化的灵敏性；下挡板内侧对应底座的位置向内凹陷设有用于容纳底座的容纳腔，底座的底部伸进容纳腔与下挡板贴合，方便整体部件的安装拆卸，同时可以防止底座不稳定、易滑动的情况。应变式传感器采用悬臂式结构，为了保护应变片的灵敏度，需要采用柔性防水处理；底座放置于下挡板预留的容纳腔中，应变式传感器上端感测点与与上挡板通过螺丝固定，整体结构还起支撑作用。

本实施例中，防护罩上设有用于安放线缆的圆孔。线缆包括数据线和电源线等。在圆孔处可以设置防水圈，防护罩和防水圈相互结合利用，可以避免河水进入腔体内。圆孔设置在防护罩下边部中间区域，孔径25mm，腔体内设备的数据线和电源线集成一股线缆后从圆孔穿出。

本实施例中，还包括用于将采集装置固定在河床上的固定装置7，固定装置固定安装在下挡板底部。

将本申请中的采集装置固定在河底，可以定点采集此处或者附近区域的卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹，实际使用中，会在河底等距布置多个采集装置，将采集装置固定，也有利于提高卵砾石输移分析的准确性。

本发明中，采用应变式传感器检测卵砾石对采集装置压力的原理如下：将采集装置放入水中，应变式传感器上挡板承受的水压力为P ₁，下挡板承受的水压力为P ₂，采集装置承受的总水压P为：

P=P ₁ -P ₂ =ρgΔh；

式中，ρ为水密度，g为重力加速度，Δh为应变式传感器的厚度，当河水比较深时，厚度和水深相比几乎可以忽略，即Δh≈0；由于上挡板和下挡板承受的水压就相互平衡，解决了野外观测中水位升降造成无法判断是由于卵砾石压载还是水位波动引起的压力变化问题。

参照图3，一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统，包括多个布置在河床上用于采集卵砾石输移音频和输移过程中上挡板与下挡板承受卵砾石压力的采集装置、设置在岸边用于对采集信息进行预处理的基站、以及与基站通信连接的服务器；所述采集装置为权1-6中任意一项权利要求所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置；采集装置和基站通信连接；用于采集卵砾石输移压力与输移音频的采集装置通过线缆与基站连接，基站和服务器通过无线通信连接；线缆紧贴河床且呈直线布置。

上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统中，多个采集装置均匀地分布在河底，用于检测布置点或布置点周围的卵砾石输移情况；采集装置可以定期回收、不惧掩埋；基站设置在河岸边，一个基站可以监管多个采集装置的采集信息，基站对采集信息的预处理主要是对声音信息进行预处理，包括过滤和增强等处理方式，基站将预处理后的采集信息传输到服务器；基站起到中转和预处理的作用，可以减轻数据传输的负担，提高采集信息的利用效率；通过服务器可以实时远程监控卵砾石输移情况，可以观测卵砾石运动的空间分布。

上述用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统中，采集装置采集的音频信息和压力信息通过线缆传输到岸边的基站，虽然传输方式也可以用无线传输，但考虑到水底环境复杂、无线信号弱和传输距离限制等情况，选用线缆传输，线缆传输信息稳定、传输距离远，经测试，线缆传输距离可达3000米，使用范围广，一个基站可管理一个较大范围内的采集装置。

日常生活中，河面往往有很多来往的船只和一些漂浮的杂物，河水中也有很多水草和往复游动的鱼虾，若让线缆漂浮在河面或者在河水中间，容易与船只、杂物或水草缠绕在一起，易引起安全事故，因此将线缆紧贴河床布置，可以避免出现上述请况，同时，河底的水流冲击力相对较小，可以一定程度地保护线缆。让线缆在河床上呈直线布置，也是为了避免线缆太多与杂物缠绕，也可以降低成本。

参照图4，一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集方法，包括以下步骤：

采集装置布置步骤：在河床的长度方向和宽度方向交错等距地布置多个采集装置，并通过固定装置将采集装置固定在河床上；采集装置与岸边基站间的线缆紧贴河床且呈直线布置； 在野外观测时，可以提前在室内将采集装置组装好，将钢丝绳穿过采集装置外壳的螺丝孔，固定于船只的锚链上，每间隔500米固定一个采集装置。采集装置的数据线和供电线全都包裹在保护软管，然后顺着锚链缠绕，锚链主要起到固定设备和传输线的作用。所有观测点的线缆都顺着锚链沿着河底延伸到岸边并连接岸边的基站。

信息采集步骤：拾音器实时采集河底卵砾石输移的音频信息，应变式传感器实时采集河底卵砾石输移过程中上挡板与下挡板承受卵砾石的压力信息；采集装置将采集的音频信息和压力信息通过线缆传输到基站；基站对采集的音频信息和压力信息进行预处理，基站将预处理后的音频信息和压力信息传输到服务器。

信息分析步骤：基站对采集的音频信息和压力信息进行预处理，基站将预处理后的音频信息和压力信息传输到服务器；服务器对采集的音频信息和压力信息进行分析对比，当音频信息对应的音量分贝小于音量预设值或者压力信息对应的压力值小于压力预设值时，通过分析音频信息对应的音量分贝来确定卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹；当音频信息对应的音量分贝大于等于音量预设值或者压力信息对应的压力值大于等于压力预设值时，则通过分析压力信息对应的压力值来确定卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹。通过基站对采集装置采集信息的预处理，可以减轻数据传输的负担。

当河流中卵砾石输移数量较少或者水流流速较慢时，应变式传感器受到来自卵砾石的压力小，上挡板和下挡板的变形很小，通过应变式传感器检测的压力变化来分析卵砾石的运动误差较大，此时比较适合用拾音器采集的音频信息来分析卵砾石的运动；当河流中卵砾石输移数量较多或者水流流速快时，用拾音器检测音频会检测到很多复杂信号，通过拾音器采集的卵砾石输移音频信息来分析卵砾石的运动误差较大，此时通过应变式传感器检测的压力变化来分析卵砾石的运动比较合适。

参照图5~图7，通过分析音频信息的特征参数来识别出音频信息中的卵砾石输移音频信息；所述特征参数包括音频信息的峰值频率、基音频率及音频信息经小波变换后的能量分布特征。假设音频信息包括卵砾石、船舶及水三种声音信号，具体分析如下：

（1）通过分析音频信息的峰值频率来识别出音频信息中的卵砾石输移音频信息。通过对三种信号的频谱分析可知，卵砾石、船舶及水三种声音在频谱中的能量峰值对应不同范围，卵砾石在3200Hz左右，船舶在100Hz左右，水在25Hz左右。本申请对采集到的样本量分别为300、100、200的卵砾石、船舶及水流三种声音的峰值频率进行统计分析，得到峰值频率概率密度分布曲线如图4所示。

由图4可知，卵砾石的峰值频率分布和船舶、水的峰值频率分布有很明显的区别，卵砾石的峰值频率在1400~4000Hz范围内，受粒径大小及材质等的影响；船舶主要在25~500Hz之间，受船型影响；水的峰值频率在20~25Hz之间。三者之间有着明显区别，从而可以将卵砾石输移音频信息从混杂的音频信息中识别出来。

（2）通过分析音频信息的基音频率来识别出音频信息中的卵砾石输移音频信息。对卵砾石、船舶及水流三种声音的基音频率进行统计，并得出概率密度分布如图6所示。卵砾石的基音频率在2000~3800Hz之间；船舶的基音频率受到船型的影响，集中在500~1500Hz之间；水的基音频率在25~40Hz左右，与其主频非常接近。由此可见，卵砾石的基音频率特征明显区别于其它两种声音的，利用三者基音频率的不同可以将卵砾石输移音频信息从混杂的音频信息中识别出来。

（3）根据音频信息经小波变换后的能量分布特征来识别出音频信息中的卵砾石输移音频信息。分别求取卵砾石、船舶及水三种信号的能量特征向量，为了使所得特征具有代表性，所取卵砾石样本量为300，船舶样本量为100，水的样本量为200，最终得到各个信号所有样本的平均特征向量。如图7所示，图7中，E ^a _J 表示音频信息经小波变换后的低频系数，E ^d ₁~E ^d ₆分别表示音频信息经小波变换后的1~6阶高频系数；可以看出三种信号的能量分布的区别：a、卵砾石声音的能量主要集中在1~3阶高频系数上，超过了总能量的80%，而在低频系数上的能量不超过10%；b、船舶声音的能量主要集中在低频系数和4~6阶高频系数上；c、水流声能量的90%以上集中在低频系数上。从而将卵砾石输移音频信息从混杂的音频信息中识别出来。

由上述分析可知，通过比较卵砾石与其它两种声音信号差别，可得到描述卵砾石运动声音的特征参数分布范围。选择置信水平为0.8的置信区间，得到卵砾石的峰值频率范围为1400~4000Hz，基音频率范围为2000~3800Hz，对于卵砾石的小波变换能量分布特点，可用其在1~3阶上的高频系数上的总能量表示，记为T，T的范围为0.8~1。

具体操作时，在对采集的音频信息进行特征分析前，还需要对音频信息进行预处理，选用谱减法降噪处理对音频信息进行降噪。发明人在设计过程中，还尝试了用其他降噪方式，例如，通过快速傅里叶变换（FFT）降噪，但是得到的降噪效果并不明显。

参照图8~图10，验证上述三种特征参数能否描述卵砾石运动声音，用合成的复杂音频信号进行识别效果分析，具体分析如下：该合成信号中包含了水声、船舶航行声、卵石运动声、打雷声、下雨声以及鸟叫声等一系列复杂声音信号，其时域波形参照图8。对该信号进行目标信号的检测与提取，共获得677个声音片段，计算每一片段的波峰频率、基音频率及小波变换后的能量分布T，将每一片段用向量（f1，f2，T）表示，得到该677个片段的特征分布如图9所示。图中长方体是卵石运动声音的特征分布区域，677个片段中共有11个片段的特征落在了该区域中，说明该合成信号中共有11次卵石碰撞声音，人耳的识别结果为12次，两者仅相差一次。图10是对应于时域波形上的识别结果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明当中。

Claims (10)

1.一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，其特征在于：包括上挡板和下挡板、以及设置在两块挡板间用于防止卵砾石和含砂水流冲击的防护罩，上挡板、下挡板和防护罩围成一个腔体；在腔体内固定安装有用于采集卵砾石输移音频的拾音器和多个用于采集卵砾石输移过程中上挡板和下挡板承受卵砾石压力的应变式传感器，拾音器固定安装在上挡板或下挡板上，应变式传感器固定安装在上挡板和下挡板之间。

2.根据权利要求1所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，其特征在于，所述拾音器固定安装在上挡板中部区域。

3.根据权利要求1所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，其特征在于，应变式传感器上端感测点经弹性件与上挡板固定贴合，应变式传感器下端感测点与下挡板间设有沿竖直方向的支撑杆和柱状形的底座；支撑杆的顶端与应变式传感器下端感测点固定贴合，支撑杆的底端与底座顶部固定连接；下挡板内侧对应底座的位置向内凹陷设有用于容纳底座的容纳腔，底座的底部伸进容纳腔与下挡板贴合。

4.根据权利要求1所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，其特征在于，防护罩上设有用于安放线缆的圆孔。

5.根据权利要求1所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置，其特征在于，还包括用于将采集装置固定在河床上的固定装置，固定装置固定安装在下挡板底部。

6.一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统，其特征在于：包括多个布置在河床上的采集装置、设置在岸边用于对采集信息进行预处理的基站、以及与基站通信连接的服务器；所述采集装置为权1-5中任意一项权利要求所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集装置；采集装置和基站通信连接。

7.根据权利要求6所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统，其特征在于，用于采集卵砾石输移压力与输移音频的采集装置通过线缆与基站连接，基站和服务器通过无线通信连接。

8.根据权利要求7所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集系统，其特征在于，线缆紧贴河床且呈直线布置。

9.一种用于卵砾石输移压力与输移音频的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集装置布置步骤：在河床的长度方向和宽度方向交错等距地布置多个采集装置，并通过固定装置将采集装置固定在河床上；采集装置与岸边基站间的线缆紧贴河床且呈直线布置；

信息采集步骤：拾音器实时采集河底卵砾石输移的音频信息，应变式传感器实时采集河底卵砾石输移过程中上挡板与下挡板承受卵砾石的压力信息；采集装置将采集的音频信息和压力信息通过线缆传输到基站；

信息分析步骤：基站对采集的音频信息和压力信息进行预处理，基站将预处理后的音频信息和压力信息传输到服务器；服务器对采集的音频信息和压力信息进行分析对比，当音频信息对应的音量分贝小于音量预设值或者压力信息对应的压力值小于压力预设值时，通过分析音频信息对应的音量分贝来确定卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹；当音频信息对应的音量分贝大于等于音量预设值或者压力信息对应的压力值大于等于压力预设值时，则通过分析压力信息对应的压力值来确定卵砾石输移运动量和卵砾石输移运动轨迹。

10.根据权利要求9所述的用于卵砾石输移压力与输移音频的采集方法，其特征在于，通过分析音频信息的特征参数来识别出音频信息中的卵砾石输移音频信息；所述特征参数包括音频信息的峰值频率、基音频率及音频信息经小波变换后的能量分布特征。