CN110243929A - 一种基于随机共振的水下环境动态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，包括用于检测水中信息的检测装置、水下通信装置和控制端，所述检测装置包括若干的检测机构，各个所述检测机构设置分别与所述水下通信装置通信连接，所述水下通信装置包括若干个超声波接收模块和若干个接收控制模块，各个所述接收模块和各个所述接收控制模块配对使用，所述控制端设置在所述水下通信装置上并与所述水下通信装置电连接。本发明通过对监测水域各传感器节点相应的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测，提高微弱信号检测的灵敏度，提升对监测水域的监测效果。

Description

一种基于随机共振的水下环境动态检测系统

技术领域

本发明涉及水环境检测系统领域，尤其涉及一种基于随机共振的水下环境动态检测系统。

背景技术

目前，一些已经应用于水域环境检测及传输方法，例如有线微弱信号检测方法和基于可见光通信的检测方法。有线微弱信号检测方法主要由导线与检测传感器组成，该技术主要利用传感器来获取水下的各类参数信号并用有线的方法进行传输处理。基于可见光通信的检测方法主要由检测传感器、可见光信号发送部分以及光电探测部分组成。它将需要传递的信号先进行调制再加载到LED灯光信号上；在接收端，利用光电探测器等二极管器件进行接收并解调出发送的信息，实现基于可见光的无线信息传输。由于受到水下洋流、船只、浪花、鱼类、水分子热噪声等各类噪声的干扰，同时在一些不同地区监测水域分散且大小不一，有些需要监测的水域地方偏僻，若采用有线监测的方法，则该系统成本巨大。有线微弱信号检测方法和基于可见光的检测方法获取信号信噪比低。

如CN105763612A现有技术公开了一种盐碱地水盐动态物联网同步自动检测系统，通过动态物联网同步自动检测系统，实现了盐碱地水盐动态变化信息的自动采集，并通过传输终端实时传输到远端服务器智能处理平台，服务器智能处理平台统一对数据进行同步采集、上传、存储、计算分析和应用。采样频率可通过上位机管理系统方便设定，实现了盐碱地水盐动态变化信息的同步自动采集。一般农田信息采集装置容易发现盐碱地特有的环境导致传感器易受腐蚀、野外网络覆盖差导致采集信息传输不畅、数据易丢失；对于大面积、多地块信息的采集无法同步进行。

另一种典型的如US2019170654(A1)的现有技术公开的一种水环境遥感数据处理方法，传统的江河流域水环境监测主要是设置定点监测站、抽样调查、现场观察和测量等方法，这些监测手段和方法有利于准确反映局部的微观水体特征，如果从宏观上映射江河流域水环境状况，采取此类方法不仅耗费人力、物力、财力资源而且效率也十分低下。随着遥感技术的不断进步和相关理论模型的不断完善，遥感监测技术在水环境监测中的应用越来越多。由于水环境监测的遥感数据为点云数据，且这些数据需要经过一系列的复杂处理，才能获得为人们所需的数据，但是，通常是对一组点云数据进行处理，且没有考虑原始图像数据中的异常像素点，从而使得监测结果精确度不高，不能作为水环境后期分析的可靠保证。

再来看如AU2018274916(A1)的现有技术公开的一种水生环境水参数测试系统。水生环境水参数测试系统包括具有光学读取器元件的电子部分和具有可以可拆卸地连接的化学指示元件的样品室部分。化学指示元件可包括信息存储和通信元件。另外，本发明并未对水下的通信就行改进，对信息的传输具有局限性，不利于信息的快速、灵活的输出，也没有针对的去干扰的措施，得出的水参数的存在不确定性。

为了解决本领域普遍存在的监测成本高、监管区域小、微弱信号监测不到位、监测对象少灵敏度不够等等问题，作出了本发明。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前水域环境检测所存在的不足，提出了一种基于随机共振的水下环境动态检测系统。

为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：

一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，包括用于检测水中信息的检测装置、水下通信装置和控制端，所述检测装置包括若干的检测机构，各个所述检测机构设置分别与所述水下通信装置通信连接，所述水下通信装置包括若干个超声波接收模块和若干个接收控制模块，各个所述接收模块和各个所述接收控制模块配对使用，所述控制端设置在所述水下通信装置上并与所述水下通信装置电连接。

可选的，所述检测装置的检测机构包括检测方法，所述检测方法均应用在所述检测装置上，所述检测方法的具体步骤如下：

S1：PSO算法初始化，设定种群数量、最大迭代步数、维度以及每个维度的搜索范围；

S2：估计每一个粒子优化效果，计算对应的输出信噪比，将第一代粒子的对应信噪比值作为单个粒子的局部最优值，将其中的最大值作为全局最优值；

S3：根据全局最优值更新粒子位置和速度，得到下一代粒子；

S4：达到最大迭代次数后，根据最终粒子的位置得到最优的系统参数，从而达到信号、噪声与随机共振系统的匹配关系；

S5：根据最优解，并输出信号。

可选的，各个所述检测机构还分别设有若干个检测传感器，各个所述检测传感器分别检测各个所述维度内的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测并生成检测信号，所述检测信号通过各个所述超声波接收模块发送到控制器。

可选的，所述检测装置的检测机构实时检测所处的所述维度范围内各个参数值，并把检测到所述参数值作为第一测量值，并设置间隔时间检测下一时间点的测量值作为第二测量值、第三测量值……第N测量值，测量出的所述第一检测值与所述第二测量值比较出最大的值设为第一预测值，得出的所述第一预测值与下一次的测量值进行比较，取最大值作为全局最优值。

另外，本发明还提供一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，所述控制方法包括：在每次的全局最优值取出并传输到所述控制端，通过所述控制端进行降噪处理，得出的进行迭代。

进一步的，当每一次迭代的过程中，会生成实用度值，并把该实用度值的相对应的迭代数与所述控制端设定的最大迭代数值进行比较，当所述实用度值对应的迭代数值和所述最大迭代数值相同时，生成出随机最优参数。

进一步的，根据最优参数的值通过所述水下通信装置发送到特定的接收终端，所述接收终端接收到该最优参数值后，进行根据最优解的算法计算出相应的结果，输出相应的信号并通过各个所述超声波接收模块发送。

进一步的，在所述超声波接收模块接收到该信号后，把所述信号将采集到的信息输送到信号调理模块，信号调理模块将传感器输出的模拟信号的滤波、放大、滤波输送到控制模块，控制模块将信号除噪、水环境信息的属性标定。

进一步的，所述控制器根据所述属性标定信息生产相应的态势显示和动态图文并存储在控制器的存储单元中。

本发明所取得的有益效果是：

1.采用无线超声传感网络进行监测，既灵活又可大幅度降低成本，实现对监测水域的监管。

2.采用改进型随机共振检测微弱信号的方法，对监测水域各传感器节点相应的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测。

3.采用检测装置进行检测操作，提高微弱信号检测的灵敏度，提升对监测水域的监测效果。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为本发明的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制流程图。

图2为本发明的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的所述调理装置的调理状态图。

图3为本发明的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的所述迭代方式的结构示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的.技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统.方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统.方法.特征和优点都包括在本说明书内.包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”.“下”.“左”.“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位.以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一：一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，包括用于检测水中信息的检测装置、水下通信装置和控制端，所述检测装置包括若干的检测机构，各个所述检测机构设置分别与所述水下通信装置通信连接，所述水下通信装置包括若干个超声波接收模块和若干个接收控制模块，各个所述接收模块和各个所述接收控制模块配对使用，所述控制端设置在所述水下通信装置上并与所述水下通信装置电连接。

所述检测装置的检测机构包括检测方法，所述检测方法均应用在所述检测装置上，所述检测方法的具体步骤如下：

S1：PSO算法初始化，设定种群数量、最大迭代步数、维度以及每个维度的搜索范围；

S2：估计每一个粒子优化效果，计算对应的输出信噪比，将第一代粒子的对应信噪比值作为单个粒子的局部最优值，将其中的最大值作为全局最优值；

S3：根据全局最优值更新粒子位置和速度，得到下一代粒子；

S4：达到最大迭代次数后，根据最终粒子的位置得到最优的系统参数，从而达到信号、噪声与随机共振系统的匹配关系；

S5：根据最优解，并输出信号。

各个所述检测机构还分别设有若干个检测传感器，各个所述检测传感器分别检测各个所述维度内的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测并生成检测信号，所述检测信号通过各个所述超声波接收模块发送到控制器。

所述检测装置的检测机构实时检测所处的所述维度范围内各个参数值，并把检测到所述参数值作为第一测量值，并设置间隔时间检测下一时间点的测量值作为第二测量值、第三测量值……第N测量值，测量出的所述第一检测值与所述第二测量值比较出最大的值设为第一预测值，得出的所述第一预测值与下一次的测量值进行比较，取最大值作为全局最优值。

另外，本发明还提供一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，所述控制方法包括：在每次的全局最优值取出并传输到所述控制端，通过所述控制端进行降噪处理，得出的进行迭代。当每一次迭代的过程中，会生成实用度值，并把该实用度值的相对应的迭代数与所述控制端设定的最大迭代数值进行比较，当所述实用度值对应的迭代数值和所述最大迭代数值相同时，生成出随机最优参数。根据最优参数的值通过所述水下通信装置发送到特定的接收终端，所述接收终端接收到该最优参数值后，进行根据最优解的算法计算出相应的结果，输出相应的信号并通过各个所述超声波接收模块发送。在所述超声波接收模块接收到该信号后，把所述信号将采集到的信息输送到信号调理模块，信号调理模块将传感器输出的模拟信号的滤波、放大、滤波输送到控制模块，控制模块将信号除噪、水环境信息的属性标定。所述控制器根据所述属性标定信息生产相应的态势显示和动态图文并存储在控制器的存储单元中。

实施例二：一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，包括用于检测水中信息的检测装置、水下通信装置和控制端，所述检测装置包括若干的检测机构，各个所述检测机构设置分别与所述水下通信装置通信连接，所述水下通信装置包括若干个超声波接收模块和若干个接收控制模块，各个所述接收模块和各个所述接收控制模块配对使用，所述控制端设置在所述水下通信装置上并与所述水下通信装置电连接。具体的，由于水下环境信息的复杂性，水下传感器检测到的污染参数信号参杂着其它不相关的噪声，于是就形成了检测到的信号不精确、数据波动大。根据随机共振原理，通过去噪，可获得高信噪比的检测信号。随后进行水下无线通信，该水下通信装置包括由发送控制模块和超声波发送模块组成的发送系统，还包括由超声波接收模块和接收控制模块组成的接收系统，最终改进型随机共振原理去噪获取有效信号。在本实施例中，本实施例一种基于随机共振的水下环境动态检测系统设有若干的检测传感器，各个所述传感分别对应检测所述水环境下的各个参数，包括但不局限于以下所列举的参数：温度、PH值、各种化学成分浓度等参数。

所述检测装置的检测机构包括检测方法，所述检测方法均应用在所述检测装置上，所述检测方法的具体步骤如下：

S1：PSO算法初始化，设定种群数量、最大迭代步数、维度以及每个维度的搜索范围；

S2：估计每一个粒子优化效果，计算对应的输出信噪比，将第一代粒子的对应信噪比值作为单个粒子的局部最优值，将其中的最大值作为全局最优值；

S3：根据全局最优值更新粒子位置和速度，得到下一代粒子；

S4：达到最大迭代次数后，根据最终粒子的位置得到最优的系统参数，从而达到信号、噪声与随机共振系统的匹配关系；

S5：根据最优解，并输出信号。具体的，在对监测水域各传感节点温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测中，由于水底下无时不在地存在着各种噪声包括洋流、船只、浪花、鱼类、水分子热噪声等，对我们设备信号的收集造成了巨大的影响，因此，本申请中提取微弱信号方法，对提高系统信号的信噪比，降低有效信息的损失，有着十分重要的意义。采用上述的具体的步骤使得整个检测装置的检测的过程更加的安全快捷。在这一检测的过程中，所述检测机构的检测效果从源头根本解决了。

各个所述检测机构还分别设有若干个检测传感器，各个所述检测传感器分别检测各个所述维度内的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测并生成检测信号，所述检测信号通过各个所述超声波接收模块发送到控制器。具体的，所述检测装置的在检测水环境下的各个参数值，并在生成相应的检测信号，所述检测信号生成后需要经过去燥等操作，使得各个所述检测信号经过滤波操作。本实施例的所述滤波方式可以采用低通滤波器和高通滤波器的方式进行滤波操作，具体的，所述低通滤波器和所述高通滤波器的配合使用能够有效消除混叠湿疹和幅度失真，同时，经过所述低通滤波器和所述高通滤波器之后的信号再次通过全通滤波器，从而逼近理想状态的线性时延，从而消除了相位失真，同时，本实施例的滤波方法计算复杂度降低，减小了算法的延迟。

所述检测装置的检测机构实时检测所处的所述维度范围内各个参数值，并把检测到所述参数值作为第一测量值，并设置间隔时间检测下一时间点的测量值作为第二测量值、第三测量值……第N测量值，测量出的所述第一检测值与所述第二测量值比较出最大的值设为第一预测值，得出的所述第一预测值与下一次的测量值进行比较，取最大值作为全局最优值。具体的，所述检测装置检测到的所述参数值逐一作为第一测量值、第二测量值、第三测量值……第N测量值，并逐一比较并一次得出所述第一预测值、第二预测值……第N预测值。在逐一比较的过程中会生成全局最优值，直至得出最大值，此时所述最大值就作为全局最优值。

另外，本发明还提供一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，所述控制方法包括：在每次的全局最优值取出并传输到所述控制端，通过所述控制端进行降噪处理，得出的进行迭代。当每一次迭代的过程中，会生成实用度值，并把该实用度值的相对应的迭代数与所述控制端设定的最大迭代数值进行比较，当所述实用度值对应的迭代数值和所述最大迭代数值相同时，生成出随机最优参数。根据最优参数的值通过所述水下通信装置发送到特定的接收终端，所述接收终端接收到该最优参数值后，进行根据最优解的算法计算出相应的结果，输出相应的信号并通过各个所述超声波接收模块发送。在所述超声波接收模块接收到该信号后，把所述信号将采集到的信息输送到信号调理模块，信号调理模块将传感器输出的模拟信号的滤波、放大、滤波输送到控制模块，控制模块将信号除噪、水环境信息的属性标定。所述控制器根据所述属性标定信息生产相应的态势显示和动态水文图并存储在控制器的存储单元中。具体的，在进行迭代的过程中，所述降噪的过程会一直跟随所述迭代的过程，在迭代的过程中，所述控制器会不断的检测所述超声波接收模块和发送控制模块之间的信号的传输，同时，在检测的过程中，会根据所述迭代过程中的随机最优参数。所述接收终端接收到所述随机最优参数后实时输出所述最优解。所述信号调节装置在对所述传输信号检测的过程中，会根据所述控制器的控制命令进行所述传输信号的调理，在调理的过程中能进行滤波、放大，再放大的操作，使得整个所述信号再所述调理装置的调理下完全转化为标准的信号，当操作者需要对调理后输出的信号进行调用的过程中，能够直接的引用所述调理后的所述输出信号。另外，所述控制器在接收所述传输信号后，所述控制器会生成相对应的态势显示和动态水文图，所述态势显示和动态水文图能够显示出当前所处的环境的水文环境。当需要对所述控制器的动态水文图进行调用时，只需要在所述控制器中的存储单元中的所述水环境的态势显示和动态水文图。

综上所述，本发明的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，采用无线超声传感网络进行监测，既灵活又可大幅度降低成本，实现对监测水域的监管；采用改进型随机共振检测微弱信号的方法，对监测水域各传感器节点相应的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测；采用检测装置进行检测操作，提高微弱信号检测的灵敏度，提升对监测水域的监测效果。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，包括用于检测水中信息的检测装置、水下通信装置和控制端，其特征在于，所述检测装置包括若干的检测机构，各个所述检测机构设置分别与所述水下通信装置通信连接，所述水下通信装置包括若干个超声波接收模块和若干个接收控制模块，各个所述接收模块和各个所述接收控制模块配对使用，所述控制端设置在所述水下通信装置上并与所述水下通信装置电连接。

2.如前述权利要求1所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，其特征在于，所述检测装置的检测机构包括检测方法，所述检测方法均应用在所述检测装置上，所述检测方法的具体步骤如下：

S1：PSO算法初始化，设定种群数量、最大迭代步数、维度以及每个维度的搜索范围；

S2：估计每一个粒子优化效果，计算对应的输出信噪比，将第一代粒子的对应信噪比值作为单个粒子的局部最优值，将其中的最大值作为全局最优值；

S3：根据全局最优值更新粒子位置和速度，得到下一代粒子；

S4：达到最大迭代次数后，根据最终粒子的位置得到最优的系统参数，从而达到信号、噪声与随机共振系统的匹配关系；

S5：根据最优解，并输出信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，其特征在于，各个所述检测机构还分别设有若干个检测传感器，各个所述检测传感器分别检测各个所述维度内的温度、PH值、各种化学成分浓度等参数微弱信号的检测并生成检测信号，所述检测信号通过各个所述超声波接收模块发送到控制器。

4.根据权利要求2所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，其特征在于，所述检测装置的检测机构实时检测所处的所述维度范围内各个参数值，并把检测到所述参数值作为第一测量值，并设置间隔时间检测下一时间点的测量值作为第二测量值、第三测量值……第N测量值，测量出的所述第一检测值与所述第二测量值比较出最大的值设为第一预测值，得出的所述第一预测值与下一次的测量值进行比较，取最大值作为全局最优值。

5.一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，其应用权利要求2-4所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统，其特征在于，所述控制方法包括：在每次的全局最优值取出并传输到所述控制端，通过所述控制端进行降噪处理，得出的进行迭代。

6.根据权利要求5所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，其特征在于，当每一次迭代的过程中，会生成实用度值，并把该实用度值的相对应的迭代数与所述控制端设定的最大迭代数值进行比较，当所述实用度值对应的迭代数值和所述最大迭代数值相同时，生成出随机最优参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，其特征在于，根据最优参数的值通过所述水下通信装置发送到特定的接收终端，所述接收终端接收到该最优参数值后，进行根据最优解的算法计算出相应的结果，输出相应的信号并通过各个所述超声波接收模块发送。

8.根据权利要求7所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，其特征在于，在所述超声波接收模块接收到该信号后，把所述信号将采集到的信息输送到信号调理模块，信号调理模块将传感器输出的模拟信号的滤波、放大、滤波输送到控制模块，控制模块将信号除噪、水环境信息的属性标定。

9.根据权利要求8所述的一种基于随机共振的水下环境动态检测系统的控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述属性标定信息生产相应的态势显示和动态图文并存储在控制器的存储单元中。