CN107957571A - 水听器测向方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水听器测向方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备，首先获取指向性水听器阵输出的各路水声信号；对各路水声数字量信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围，可以通过水听器阵采集覆盖360度测量范围的各路水声信号，使得获取到的水声信号覆盖范围全面不遗漏，而通过获取能量谱的方式得到当前测向的方位值，抗混响能力强，适用于存在混响和多途的复杂水下环境。
Description
技术领域
本发明涉及声纳测向技术领域，特别是涉及一种水听器测向方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备。
背景技术
从19世纪起，人们开始用各种手段对海洋进行探索，20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的重要手段，受到了人们的普遍关注。进入21世纪，海洋已成为国际战略竞争的焦点，水下机器人也随之称为高技术研究的重点。
水下机器人可代替潜水员完成水下复杂且危险环境下的作业，主要用途是对水下涵洞、管道、码头、桥梁、坝体等水下基桩的检查与维修。由于水下机器人作业时水声环境十分复杂，大多采取有线方式与水下机器人通讯，控制机器人作业，当机器人在水下作业时，脐带缆存在断裂的风险，机器人在脐带缆断裂后将失去与控制台的通讯，造成无法返航。
传统的水下机器人通过自带的导引声纳接收机接收起始点的声源信号进行方位测量，然后调整航向回到起始点，但由于水声环境复杂，这种方位测量方法抗混响能力弱。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种抗混响能力强的水听器测向方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备。
一种水听器测向方法，包括步骤：
获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，其中，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围；
对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；
根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该程序时实现上述方法的步骤。
上述水听器测向方法、计算机可读存储介质及计算机设备，首先获取指向性水听器阵输出的各路水声信号；对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围，可以通过水听器阵采集覆盖360度测量范围的各路水声信号，使得获取到的水声信号覆盖范围全面不遗漏，而通过获取能量谱的方式得到当前测向的方位值，抗混响能力强，适用于存在混响和多途的复杂水下环境。
一种水听器测向装置，包括：
信号获取模块，用于获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，其中，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围；
信号处理模块，用于对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；
方位获取模块，用于根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值。
上述水听器测向装置，包括信号获取模块、信号处理模块以及方位获取模块，信号获取模块用于获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，信号处理模块用于对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；方位获取模块用于根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围，可以通过水听器阵采集覆盖360度测量范围的各路水声信号，使得获取到的水声信号覆盖范围全面不遗漏，而通过获取能量谱的方式得到当前测向的方位值，抗混响能力强，适用于存在混响和多途的复杂水下环境。
附图说明
图1为一个实施例中两点近似测向方法的原理示意图；
图2为一个实施例中水听器测向方法的流程示意图；
图3为一个实施例中水听器阵的指向性示意图；
图4为一个实施例中水听器测向装置的结构示意图；
图5为一个具体应用实施例中水听器测向装置的结构示意图。
具体实施方式
水下机器人可代替潜水员完成水下复杂且危险环境下的作业，水下机器人作业水声环境十分复杂，大多采取有线方式与水下机器人进行通讯，控制机器人作业，机器人脐带缆断裂后，将失去与控制台的通讯。一般，在起始点处放置一个声源作为导引机器人返航的灯塔，水下机器人可通过自带的引导声纳接收声源信号进行方位测量，然后调整航向返回到起始点，若导引声纳不能提供准确的方位，机器人将无法返回到起始点，导致机器人报废并可能堵塞水下管道，造成极大的损失。
可以采用基于时差的两点近似测向方法进行方位测量，基于时差的两点近似测向方法利用水声传输球面波或柱面波前曲率变化，通过获取测量基阵中两个阵元的相对时延，通过两点近似测向方法估计目标方位，为了覆盖整个平面，需要三组水听器组成L阵，组成两两相互垂直基阵可覆盖360度测量范围，并区别左右弦，两点近似测向方法原理如图1所示：A、B为两个接收阵元，M为声源，在MA上找O点使MO等于MB，实际使用中MA和MB大于AB的40倍，∠AOB可近似为直角，得到如下计算公式，其中c表示声速，τ表示两点之间的时延，LAB表示两点之间的距离，
测向精度与时延估计精度、声源距离、测量基阵尺寸(两个接收阵元的距离)等因素有关，其中时延估计精度是关键，测量基阵尺寸越小，对时延估计精度要求越高，然而测量基阵安装于机器人上，受机器人尺寸限制，测量基阵尺寸有限，另一方面随着探测距离的增加，波前曲率的变化越来越小，加上机器人工作在复杂的水下环境中，混响和多途效应影响严重，该测向方法无法在这种复杂环境下估计出各阵元的相对时延，无法为机器人提供返回的方位信息。
如图2所示，一种水听器测向方法，包括步骤：
S100，获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，其中，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围。
水听器又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器。根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，分为声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动等水听器，水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器必须有坚固的水密结构，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆。声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出，声压水听器是水声测量中不可少的设备，根据所用灵敏材料的不同，声压水听器包括压电陶瓷声压水听器、PVDF(聚偏氟乙烯)声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。
具体地，水听器阵可以包括多路水听器，比如水听器阵包括四路水听器，四路水听器两两相互垂直，每路水听器可以包括多个水听器，水听器阵的接收指向性示意图如图3所示，用A、B、C、D代表四路水听器的接收指向性图，分别指向前、右、后、左四个方向，其基本原理是哪一路接收的能量最大，声源就在哪一路水听器所指方位，利用相邻的两路水听器的能量比值进行90度的测量范围标定，那么四路相邻的水听器的指向性便覆盖360度的测量范围。
在一个实施例中，获取指向性水听器阵输出的各路水声信号的步骤之后还包括：筛选指向性水听器阵输出的各路水声信号中存在预设频率脉冲信号的各路水声信号，得到有效的各路水声信号。
具体地，筛选指向性水听器阵输出的各路水声信号中存在预设频率脉冲信号的各路水声信号，得到有效的各路水声信号，进行下一步处理，这样可以筛选出包含预设频率脉冲信号的各路水声信号，减少无效计算量，同时启动模数转换，将各路水声信号的模拟量分别转换为对应的数字量，比如水听器阵采用的为四路声压水听器，声压水听器输出的为电压信号，将四路声压水听器输出的四路电压信号分别转换为四路数字量信号，以便后续运算。
S300，对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱。
傅里叶分析方法是信号分析的最基本方法，傅里叶变换是傅里叶分析的核心，通过它把信号从时间域变换到频率域，进而研究信号的频谱结构和变化规律。DFT(DiscreteFourier Transform，离散傅里叶变换)是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换频域的采样。在形式上，变换两端在时域和频域上的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列，即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换，在实际应用中通常采用快速傅里叶变换以高效计算DFT。
对一个时域信号进行傅里叶变换，就可以得到的信号的频谱，信号的频谱包括幅度谱和相位谱。信号可能是能量信号，也可能是功率信号，对于能量信号，常用能量谱来描述，能量谱也称为能量谱密度，是指用密度的概念表示信号能量在各频率点的分布情况，也即是说，对能量谱在频域上积分就可以得到信号的能量，能量谱是信号幅度谱的模的平方，其量纲是焦/赫。
对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱，比如对四路声压水听器的数字量信号分别进行离散傅里叶运算，得到四路能量谱。
S500，根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值。
根据各路水听器得到的能量谱，通过分类判别可以得到当前测向的方位值，使用四路带指向性水听器组成指向性水听器阵，具备抗混响能力强、测向距离远等优点，适用于水下管道和涵洞等复杂环境中进行被动测向，可满足机器人引导返航的需求。
根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值的步骤具体可以包括：
对各路水声能量谱基于预设频点进行积分，得到各路水声能量谱对应的能量积分值；
根据各路能量积分值得到当前测向的方位值。
预设频点具体可以是声源频点，可以利用通道及频率分类器选择出每一路声源频点处的能量谱进行设定时间积分，并比较各路信号的能量积分值，根据各路能量积分值得到当前测向的方位值。
其中，根据各路能量积分值得到当前测向的方位值的步骤包括：
当各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的最小值的比值小于预设值时，将上一次测向的方位值作为当前测向的方位值；
当从各路能量积分值中剔除各路能量积分值中的最小值，得到其它能量积分值两两相比较的比值小于预设值时，将各路能量积分值中的最小值对应的方位值反向处理后作为当前测向的方位值；
当各路能量积分值中的最大值与其余能量积分值的比值大于预设值时，将能量积分值的最大值对应的方位值作为当前测向的方位值；
当各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的最小值的比值大于预设值，且各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的次大值的比值小于预设值时，根据各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的次大值的比值以及预设标定表，得到当前测向的方位值。
比如，当各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的最小值的比值小于1.1时，即四路信号能量积分值相当时，本次测向结果无效，将历史有效测向结果即上一次测向的方位值作为当前测向的方位值；当各路能量积分值中除最小值之外的其它能量积分值中的最大值与最小值的比值小于1.1时，即四路信号能量积分值中存在三路信号能量积分值相当时，将各路能量积分值中的最小值对应的方位值反向处理后作为当前测向的方位值；当各路能量积分值中的最大值与其余能量积分值的比值大于1.1时，即只存在一路信号能量积分值大于其它路信号能量积分值，将能量积分值的最大值对应的方位值作为当前测向的方位值；当各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的最小值的比值大于1.1，且各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的次大值的比值小于1.1时，即四路信号能量积分值中存在两路信号能量积分值较大时，根据各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的次大值的比值以及预设标定表，得到当前测向的方位值。预设标定表中的标定数据可在消声水池通过试验获得，利用查找表方式将能量比值转换为测向方位结果，信号处理较容易实现，并且不宜出现测量奇点。
上述水听器测向方法，首先获取指向性水听器阵输出的各路水声信号；对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围，可以通过水听器阵采集覆盖360度测量范围的各路水声信号，使得获取到的水声信号覆盖范围全面不遗漏，而通过获取能量谱的方式得到当前测向的方位值，抗混响能力强，适用于存在混响和多途的复杂水下环境。
在一个实施例中，水听器测向方法中获取指向性水听器阵输出的各路水声信号的步骤之后还包括：
对各路水声信号进行级联滤波放大。由于水听器阵接收到的信号比较微弱，为确保经水听器阵输出的信号幅值，以便后续运算，需要对水听器阵输出的各路水声信号进行级联滤波放大。
在一个实施例中，水听器测向方法中根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值的步骤之后还包括：
将当前测向的方位值进行滑窗滤波处理后输出。这样处理之后输出的信号平滑度高，对周期性干扰有良好的抑制作用。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该程序时实现上述方法的步骤。
在一个实施例中，如图4所示，一种水听器测向装置，，包括：
信号获取模块100，用于获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，其中，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围；
信号处理模块300，用于对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；
方位获取模块500，用于根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值。
上述水听器测向装置，包括信号获取模块100、信号处理模块300以及方位获取模块500，信号获取模块100用于获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，信号处理模块300用于对各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到各路水声信号对应的各路水声能量谱；方位获取模块500用于根据各路水声能量谱得到当前测向的方位值，指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围，可以通过水听器阵采集覆盖360度测量范围的各路水声信号，使得获取到的水声信号覆盖范围全面不遗漏，而通过获取能量谱的方式得到当前测向的方位值，抗混响能力强，适用于存在混响和多途的复杂水下环境。
在一个实施例中，水听器测向装置中的信号获取模块之后还包括：
信号提取模块，用于筛选指向性水听器阵输出的各路水声信号中存在预设频率脉冲信号的各路水声信号，得到有效的各路水声信号。
在一个实施例中，水听器测向装置中的方位获取模块包括：
积分运算单元，用于对各路水声能量谱基于预设频点进行积分，得到各路水声能量谱对应的能量积分值；
方位获取单元，用于根据各路能量积分值得到当前测向的方位值。
在一个实施例中，水听器测向装置中的方位获取单元包括：
第一方位获取单元，用于当各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的最小值的比值小于预设值时，将上一次测向的方位值作为当前测向的方位值；
第二方位获取单元，用于当从各路能量积分值中剔除各路能量积分值中的最小值，得到其它能量积分值两两相比较的比值小于预设值时，将各路能量积分值中的最小值对应的方位值反向处理后作为当前测向的方位值；
第三方位获取单元，用于当各路能量积分值中的最大值与其余能量积分值的比值大于预设值时，将能量积分值的最大值对应的方位值作为当前测向的方位值；
第四方位获取单元，用于当各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的最小值的比值大于预设值，且各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的次大值的比值小于预设值时，根据各路能量积分值中的最大值与各路能量积分值中的次大值的比值以及预设标定表，得到当前测向的方位值。
在一个实施例中，如图5所示，水听器测向装置包括前、右、后、左四路水听器集成的水听器阵，信号调理电路，脉冲检测模块，AD(Analog-to-Digital，模拟量到数字量)采集模块，FIFO(First Input First Output，先进先出)缓存模块，FFT(Fast FourierTransformation，快速离散傅里叶)运算模块，通道及频率分类器，能量积分模块以及方位计算模块。四路水听器分别接收水声信号，信号调理电路对水听器接收的弱信号进行级联滤波放大处理，脉冲检测模块用于根据信号调理电路中的信号寻找脉冲信号，通知AD启动模数转换以及能量积分模块开始积分和清零，当脉冲检测模块检测脉冲到来时，AD开始采集模拟量信号，并转换为数字量信号发送给FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片进行处理，AD采集的四路信号由FIFO进行缓存，然后分时通过FPGA的FFT核完成FFT运算获得能量谱，再利用通道及频率分类器选择出每一路声源频点处的能量谱进行设定时间积分，最后比较四路信号的能量积分值，采取智能分类判别和通过试验标定的查找表算法计算出方位值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种水听器测向方法，其特征在于，包括步骤：
获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，其中，所述指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围；
对所述各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到所述各路水声信号对应的各路水声能量谱；
根据所述各路水声能量谱得到当前测向的方位值。
2.根据权利要求1所述的水听器测向方法，其特征在于，所述根据所述各路水声能量谱得到当前测向的方位值的步骤包括：
对所述各路水声能量谱基于预设频点进行积分，得到所述各路水声能量谱对应的能量积分值；
根据所述各路能量积分值得到当前测向的方位值。
3.根据权利要求2所述的水听器测向方法，其特征在于，所述根据所述各路能量积分值得到当前测向的方位值的步骤包括：
当所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的最小值的比值小于预设值时，将上一次测向的方位值作为当前测向的方位值；
当从所述各路能量积分值中剔除所述各路能量积分值中的最小值，得到其它能量积分值两两相比较的比值小于所述预设值时，将所述各路能量积分值中的最小值对应的方位值反向处理后作为当前测向的方位值；
当所述各路能量积分值中的最大值与其余能量积分值的比值大于所述预设值时，将所述能量积分值的最大值对应的方位值作为当前测向的方位值；
当所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的最小值的比值大于所述预设值，且所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的次大值的比值小于所述预设值时，根据所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的次大值的比值以及预设标定表，得到当前测向的方位值。
4.根据权利要求1所述的水听器测向方法，其特征在于，所述获取指向性水听器阵输出的各路水声信号的步骤之后还包括：
筛选所述指向性水听器阵输出的各路水声信号中存在预设频率脉冲信号的各路水声信号，得到有效的各路水声信号；
所述对所述各路水声信号分别进行离散傅里叶运算的步骤包括：
对所述有效的各路水声信号分别进行离散傅里叶运算。
5.根据权利要求1所述的水听器测向方法，其特征在于，所述根据所述各路水声能量谱得到当前测向的方位值的步骤之后还包括：
将所述当前测向的方位值进行滑窗滤波处理后输出。
6.一种水听器测向装置，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取指向性水听器阵输出的各路水声信号，其中，所述指向性水听器阵的指向性覆盖360度的水声信号测量范围；
信号处理模块，用于对所述各路水声信号分别进行离散傅里叶运算，得到所述各路水声信号对应的各路水声能量谱；
方位获取模块，用于根据所述各路水声能量谱得到当前测向的方位值。
7.根据权利要求6所述的水听器测向装置，其特征在于，所述方位获取模块包括：
积分运算单元，用于对所述各路水声能量谱基于预设频点进行积分，得到所述各路水声能量谱对应的能量积分值；
方位获取单元，用于根据所述各路能量积分值得到当前测向的方位值。
8.根据权利要求7所述的水听器测向装置，其特征在于，所述方位获取单元包括：
第一方位获取单元，用于当所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的最小值的比值小于预设值时，将上一次测向的方位值作为当前测向的方位值；
第二方位获取单元，用于当从所述各路能量积分值中剔除所述各路能量积分值中的最小值，得到其它能量积分值两两相比较的比值小于所述预设值时，将所述各路能量积分值中的最小值对应的方位值反向处理后作为当前测向的方位值；
第三方位获取单元，用于当所述各路能量积分值中的最大值与其余能量积分值的比值大于所述预设值时，将所述能量积分值的最大值对应的方位值作为当前测向的方位值；
第四方位获取单元，用于当所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的最小值的比值大于所述预设值，且所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的次大值的比值小于所述预设值时，根据所述各路能量积分值中的最大值与所述各路能量积分值中的次大值的比值以及预设标定表，得到当前测向的方位值。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任意一项所述方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-5中任意一项所述方法的步骤。
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