CN107331093B - 一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统及方法，包括：安装于大洋锚系浮标四周的拾音器，用于对海面各个方向的可疑船只进行音频检测；分析比较模块，用于解析音频，判断可疑船只的方位及靠近程度；测距模块，根据所述分析比较模块的结果，实时测量可疑船只与大洋锚系浮标之间的距离；预警与语音交流模块，当测距模块的结果小于设定距离时，则通过卫星通讯向岸站工作站发送报警信息，中央处理模块，根据分析比较模块的结果，选择开启对应方向的测距模块或预警与语音交流模块；同时通过卫星通讯，实现岸站工作人员与可疑人员的交流；电源控制模块，控制开启可疑船只出现方向的测距模块或预警与语音交流模块。

Description

一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统与方法

技术领域

本发明属于远洋监测领域，具体是一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统与方法。

背景技术

大洋锚系浮标是布放在远离大陆的海洋中的表面锚系海洋水文气象自动观测平台，为海洋科学研究及相关领域通过卫星实时提供海洋水文气象数据。由于其远离大陆，布放后处于无人值守状态，在位工作一年。附近海域的渔民经过处于工作状态的浮标时，往往会对浮标产生强烈的好奇心，或者直接利用其作为捕鱼的平台，从而导致不断有人过分靠近浮标甚至登上浮标，造成浮标损坏。另外，浮标失窃的案件也时有发生。这些外界干预严重影响了正常的海洋监测工作。

目前采用图像的监测手段存在耗电量大、不能全天候监测的弊端，由于海上供电量有限，因此有必要研究一种可以降低功耗，适用于全天候监测预警的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，发明提供了一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统，可以有效避免可疑船只与渔民对浮标的损害，远程监控，提高工作效率，适用于全天候监测。

本发明采用下面的技术方案：

一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统，包括：

安装于大洋锚系浮标四周的拾音器，用于对海面各个方向的可疑船只进行音频检测；

分析比较模块，与所述拾音器相连，用于解析音频，判断可疑船只的方位及靠近程度；

安装于大洋锚系浮标四周的测距模块，根据所述分析比较模块的结果，对在一定靠近程度内的可疑船只，有针对性的开启可疑船只方位的测距模块，实时测量可疑船只与大洋锚系浮标之间的距离；

安装于大洋锚系浮标四周的预警与语音交流模块，当测距模块的结果小于设定距离时，则通过卫星通讯向岸站工作站发送报警信息，岸站工作人员通过卫星通讯与可疑人员进行语音通话，或，岸站工作人员通过卫星通讯向可疑人员播报浮标宣传信息；

中央处理模块，与分析比较模块、电源控制模块、预警与语音交流模块相连，根据分析比较模块的结果，控制电源控制模块，选择开启对应方向的测距模块或预警与语音交流模块；同时通过卫星通讯，实现岸站工作人员与可疑人员的交流；

电源控制模块，与中央处理模块、测距模块、预警与语音交流模块相连，根据中央处理模块的指令，控制开启可疑船只出现方向的测距模块或预警与语音交流模块。

进一步的，所述拾音器用于检测可疑船只的发动机音频信号。

进一步的，所述测距模块为超声测距模块。

进一步的，所述分析比较模块为频谱分析比较模块。

进一步的，当可疑船只在的方向上移动时，实时调整开启对应的测距模块、预警与语音交流模块。

进一步的，在所述拾音器与分析比较模块之间还设置有放大器。

本发明还提出了一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警方法，包括：

获取可疑船只发出的音频，判断可疑船只的方位及靠近大洋锚系浮标的程度；

对在一定靠近程度内的可疑船只，实时测量其与大洋锚系浮标之间的距离；

当可疑船只与大洋锚系浮标的距离小于设定距离时，启动预警与语音交流功能。

其中获取可疑船只发出的音频包括：获取可疑船只的发动机发出的音频信号。

其中判断可疑船只的方位及靠近大洋锚系浮标的程度包括：

根据安装于大洋锚系浮标四周的拾音器的布置位置，判断可疑船只的方位；

根据可疑船只发动机发出的音频信号，采用频谱分析方法，判断可疑船只靠近大洋锚系浮标的程度。

其中，采用频谱分析方法判断可疑船只靠近大洋锚系浮标的程度包括：

首先，对音频信号进行傅立叶变换得到信号中频率的分布和对应的幅值，表示如下：

{F(i),M(i)},i＝1,2,……,N/2 (式1)

其中，F(i)为变换后的频率，M(i)为该频率成分的幅值，N为采样点数(因为傅立叶变换是对称的，所以选用单边的结果)。

然后，判断以下两个条件：

条件1：找出幅值最大的频率成分{F(max),M(max)}，并计算M(max)>α是否成立，其中α为响度阈值；

条件2：计算最近P次检测的最大频率成分分布误差是否小于某阈值：

其中，β为灵敏度阈值，该阈值用于过滤雷电、海浪等声音的干扰。

先判断条件1，如果不成立则认为没有可疑船只靠近，如果条件1成立，则继续判断条件2；

如果条件2不成立，则认为是雷电、海浪等声音引起的干扰，没有可疑船只靠近，如果条件2满足，才认为有可疑船只靠近。

此时，由于各拾音器面向的方位不同，他们各自检测到的船只信号强度会不同，强度最高的(M(max)最大的)拾音器所在的方位就是可疑船只所处的方位；

随着可疑船只的移动，其与大洋锚系浮标之间的相对方位产生变化，通过设置于不同方位的拾音器，实现实时跟踪可疑船只的方位变化。

本发明的有益效果：

(1)本发明在渔船及渔民靠近浮标的过程中，进行逐级预警，结合卫星远程对话功能进行交流沟通，实现了对浮标的有效保护。

(2)本发明采用音频和测距相结合的形式实现对浮标周围可疑船只的检测，不受天气、光线等条件的影响，可以实现全天候的运行监测。

(3)本发明利用卫星进行远程监控，方便了工作，提高了效率。

附图说明

图1为本发明的系统功能框图；

图2为本发明的系统模块布置图；

图3为本发明系统功能演示图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1本发明系统功能框图所示，一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统，包括：

安装于大洋锚系浮标四周的拾音器，用于对海面各个方向的可疑船只进行音频检测；

分析比较模块，与所述拾音器相连，用于解析音频，判断可疑船只的方位及靠近程度；

安装于大洋锚系浮标四周的测距模块，根据所述分析比较模块的结果，对在一定靠近程度内的可疑船只，有针对性的开启可疑船只方位的测距模块，实时测量可疑船只与大洋锚系浮标之间的距离；

安装于大洋锚系浮标四周的预警与语音交流模块，当测距模块的结果小于设定距离时，则通过卫星通讯向岸站工作站发送报警信息，岸站工作人员通过卫星通讯与可疑人员进行语音通话，或，岸站工作人员通过卫星通讯向可疑人员播报浮标宣传信息；

中央处理模块，与分析比较模块、电源控制模块、预警与语音交流模块相连，根据分析比较模块的结果，控制电源控制模块，选择开启对应方向的测距模块或预警与语音交流模块；同时通过卫星通讯，实现岸站工作人员与可疑人员的交流；

电源控制模块，与中央处理模块、测距模块、预警与语音交流模块相连，根据中央处理模块的指令，控制开启可疑船只出现方向的测距模块或预警与语音交流模块。

图2中可以看到，拾音器和测距模块布置在浮标体的周边，对各个方向的海面船只进行检测。

本系统按照以下方法进行预警：

第一步，实施音频检测：针对系统的低功耗控制目的，由电源控制模块切断各模块的工作电源，保留拾音器部分对周边环境声音进行监测，拾音器的音频信号被放大后，由分析比较模块进行处理，通过解析可疑船只发动机的频谱来判断船只的出现和靠近程度。一旦认为有船只靠近则进行第二步。

第二步，进行准确测距监控：由第一步中检测到可疑船只的最强发动机信号的拾音器的布置位置可以获知船只的方位，进而由电源控制打开同方位的测距模块，测距模块实时测取船只距离浮标的距离，当距离小于预警距离时，进行第三步。

第三步，进行预警与语音交流：当测距模块检测到可疑船只靠近小于安全距离，则开启同方位的预警模块对船只进行警告，同时通过卫星通讯向岸站工作站发送报警信息，岸站工作人员通过卫星通讯与可疑人员进行语音通话或播报浮标宣传信息。

当可疑船只在的方向上移动时，实时调整开启对应的测距模块、预警与语音交流模块。

用频谱分析方法判断可疑船只靠近大洋锚系浮标的程度采用下面的原理：

首先，对音频信号进行傅立叶变换得到信号中频率的分布和对应的幅值，表示如下：

{F(i),M(i)},i＝1,2,……,N/2 (式1)

其中，F(i)为变换后的频率，M(i)为该频率成分的幅值，N为采样点数(因为傅立叶变换是对称的，所以选用单边的结果)。

然后，判断以下两个条件：

条件1：找出幅值最大的频率成分{F(max),M(max)}，并计算M(max)>α是否成立，其中α为响度阈值；

条件2：计算最近P次检测的最大频率成分分布误差是否小于某阈值：

其中，β为灵敏度阈值，该阈值用于过滤雷电、海浪等声音的干扰。

先判断条件1，如果不成立则认为没有可疑船只靠近，如果条件1成立，则继续判断条件2；

如果条件2不成立，则认为是雷电、海浪等声音引起的干扰，没有可疑船只靠近，如果条件2满足，才认为有可疑船只靠近。

此时，由于各拾音器面向的方位不同，他们各自检测到的船只信号强度会不同，强度最高的(M(max)最大的)拾音器所在的方位就是可疑船只所处的方位；

随着可疑船只的移动，其与大洋锚系浮标之间的相对方位产生变化，通过设置于不同方位的拾音器，实现实时跟踪可疑船只的方位变化。

同时依靠频谱信号的强弱可以判断船只的方位，这种判断因船只发动机的功率而异，所以该信号强弱只用于上述第一步的船只检测功能，具体精确的距离测定由专门的测距模块实现。同时由于拾音器是沿浮标体环绕布置的，根据检测到音频信号的强弱可以对船只的方位进行定位，从而用于后面步骤的电源管理等模块工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警系统，其特征在于，包括：

安装于大洋锚系浮标四周的拾音器，用于对海面各个方向的可疑船只进行音频检测；

分析比较模块，与所述拾音器相连，用于解析音频，判断可疑船只的方位及靠近程度；

安装于大洋锚系浮标四周的测距模块，根据所述分析比较模块的结果，对在一定靠近程度内的可疑船只，有针对性的开启可疑船只方位的测距模块，实时测量可疑船只与大洋锚系浮标之间的距离；

安装于大洋锚系浮标四周的预警与语音交流模块，当测距模块的结果小于设定距离时，则通过卫星通讯向岸站工作站发送报警信息，岸站工作人员通过卫星通讯与可疑人员进行语音通话，或，岸站工作人员通过卫星通讯向可疑人员播报浮标宣传信息；

中央处理模块，与分析比较模块、电源控制模块、预警与语音交流模块相连，根据分析比较模块的结果，控制电源控制模块，选择开启对应方向的测距模块或预警与语音交流模块；同时通过卫星通讯，实现岸站工作人员与可疑人员的交流；

电源控制模块，与中央处理模块、测距模块、预警与语音交流模块相连，根据中央处理模块的指令，控制开启可疑船只出现方向的测距模块或预警与语音交流模块；

基于该系统的一种基于声音检测的全天候大洋锚系浮标预警方法，其特征在于，包括：

获取可疑船只发出的音频，判断可疑船只的方位及靠近大洋锚系浮标的程度；

对在一定靠近程度内的可疑船只，实时测量其与大洋锚系浮标之间的距离；

当可疑船只与大洋锚系浮标的距离小于设定距离时，启动预警与语音交流功能；

获取可疑船只发出的音频包括：获取可疑船只的发动机发出的音频信号；

判断可疑船只的方位及靠近大洋锚系浮标的程度包括：

根据安装于大洋锚系浮标四周的拾音器的布置位置，判断可疑船只的方位；

根据可疑船只发动机发出的音频信号，采用频谱分析方法，判断可疑船只靠近大洋锚系浮标的程度；

采用频谱分析方法判断可疑船只靠近大洋锚系浮标的程度包括：

首先，对音频信号进行傅立叶变换得到信号中频率的分布和对应的幅值，

然后，判断以下两个条件：

条件1：找出幅值最大的频率成分{F(max),M(max)}，并计算M(max)>α是否成立，其中α为响度阈值；

条件2：计算最近P次检测的最大频率成分分布误差是否小于灵敏度阈值，灵敏度阈值的限值代表干扰声音：

若条件1不成立，则认为没有可疑船只靠近，若条件1成立，则继续判断条件2是否成立；

若条件2不成立，则认为是海上自然原因引起的干扰，没有可疑船只靠近，如果条件2成立，才认为有可疑船只靠近；

由于各拾音器面向的方位不同，通过判断强度最高的拾音器所在的方位，即可得到可疑船只所处的方位；

随着可疑船只的移动，其与大洋锚系浮标之间的相对方位产生变化，通过设置于不同方位的拾音器，实现实时跟踪可疑船只的方位。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拾音器用于检测可疑船只的发动机音频信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距模块为超声测距模块。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分析比较模块为频谱分析比较模块。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当可疑船只在的方向上移动时，实时调整开启对应的测距模块、预警与语音交流模块。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述拾音器与分析比较模块之间还设置有放大器。