CN111880192A - 一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置及系统，装置包括浮力舱、水面目标识别与预警装置、用于通信的定位和信号传输装置、位于浮力舱下部的水下重块、若干个标准水听器、水下激光雷达和底锚。监测浮标布置海上时，在水面和水下都布置有目标识别与预警系统，从根本上杜绝了浮标被破坏的可能；通过建立单光子激光雷达精细成像模型，通过深度、强度和图像背景的依次去躁及点云恢复，能够呈现精细的图像特征，进行有效预警，可以满足速度、清晰度的要求；数据采集系统采用基于低功耗嵌入式工控机和大容量固态硬盘和12通道同步采样的ADC部件，适用于不同通道间有相位关系要求的信号采集，同时满足了不同传感器的复杂接线要求。

Description

一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置及系统

技术领域

本发明涉及海洋浮标技术领域，尤其涉及一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置及系统。

背景技术

近年来，随着国家对海洋基础技术的重视和不断投入发展，海洋浮标技术获得了较大的进步，依赖海洋浮标来获取特定海域的海洋和气象数据信息是一门十分值得研究的课题。在现有技术中，监测浮标投放后基本处于无人值守状态，特殊的工作模式，导致在该类型海域投放的远海监测浮标经常遭到严重的人为(盗窃)破坏，其内部的水文气象传感器及核心贵重器件被偷窃，导致监测浮标工作中断，无法连续进行测量采集，最终完全丧失海洋监测浮标的所有信息。由于此类浮标局限于水文参数和气象数据采集测量，缺乏对水面和水下目标识别与预警，经常遭到人为破坏。因此，如何降低海洋监测浮标遭人为破坏后的风险，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时水面上与水面下同时进行侵犯目标精确成像且自动锁定目标，并进行定向跟踪并报警的水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置及系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置，包括浮力舱、位于浮力舱上部的水面目标识别与预警装置、用于通信的定位接收机及定位接收机天线和短波电台及短波天线、用于位置检测的高精度亚米级接收机、位于浮力舱下部的水下重块、若干个标准水听器、水下激光雷达和底锚。

进一步地，所述标准水听器的个数为2个～8个；所述水下重块通过连接杆与所述浮力舱连接。

进一步地，所述水面目标识别与预警装置包括光电跟踪摄像头和固态值守雷达。

进一步地，所述短波天线采用玻璃钢裹敷，并加强30毫米铜管制作而成，极大地改善了天线系统的可靠性和稳定性。

进一步地，所述短波天线还采用了加感线圈和加顶电容。

本发明还提供一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标系统，包括水下环境噪声测量模块、水下目标识别与预警模块、水面目标识别与预警模块、通信模块、位置监测模块、数据采集系统和电源系统。

进一步地，所述通信模块包括定位模块和短波信号传输模块。

进一步地，所述水下目标识别与预警模块采用水下激光雷达对物体三维精细成像，并在三维空间锁定目标。

进一步地，所述水下激光雷达精细成像采用单光子激光雷达精细成像模型，所述激光雷达精细成像模型建立方法，包括以下步骤：

1)将激光雷达精细成像的图像的像素N_r×N_c以及直方图列向量T激光雷达立方体数据用模拟观测值Z表示，其中光子计数记录于像素(i，i)以及直方图列向量t中，形成激光雷达数据立方体集合[Z]_i，j，t＝z_i，j，t∈Z₊＝{0，1，2，...}；

2)采用点集合N_Φ构建三维点云，其中Φ＝{(c_n，r_n)n＝1，...，N_Φ}，其中c_n是点的实际坐标，且c_n∈R³，r_n是点的非标准反射率强度，且r_n∈R₊；

3)点c_n根据公式f(c_n)＝[i，j，t_n]^T投射到激光雷达数据立方体，公式f(c_n)考虑了激光雷达系统的相机参数，如深度分辨率和焦距，以及其他特性，如超分辨率或空间模糊；

4)模拟观测值Z与模型其他参数之间的关系表示为

其中，t∈{1，...，T}，h_i，j(·)是水下激光雷达相关的每像素时间雷达响应，b_i，j是以像素(i，j)表示的当前背景级别，g_i，j是表示探测器灵敏度的比例因子，指数集合N_i，j对应于映射到像素(i，j)的点(c_n，r_n)；

5)假设不同时间点和像素的噪声实现相互独立，构建与观测值z_i，j，t相关的负对数似然函数，形成激光雷达精细成像的图像观测值最大似然估计值g(t，r，b)

其中，p(z_i，j，t|t，r，b_i，j)是与泊松分布相关的概率质量，该函数包含与观测模型相关的所有信息，其最小化等同于最大似然估计。

进一步地，所述数据采集系统采用12通道同步采样的ADC部件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、监测浮标布置海上时，在水面和水下都布置有目标识别与预警系统，从根本上杜绝了浮标被破坏的可能。

2、与传统的监测浮标相比，采用通过采用水下重块与底锚将水听器悬浮于海洋平面2米以下，其采用重心下沉式结构设计，具备更好的抗风能力，稳定性极大地提高。

3、采用光电跟踪与雷达联动的水面目标识别与预警模块，可以自动锁定目标，并进行定向跟踪并报警，同时此浮标可以作为沿海海面和海底防御设备。

4、数据采集系统采用基于低功耗嵌入式工控机和大容量固态硬盘，用于存储大容量的实时水下环境噪声测量模块8测量的水下环境噪声数据，采用12通道同步采样的ADC部件，与不同外接传感器相匹配的信号处理(放大、滤波、增益控制等)插件板可自由更换，适用于不同通道间有相位关系要求的信号采集，同时满足了不同传感器的复杂接线要求；可在遥控指令管理下使系统处于低功耗值班状态，进而增加承载有限电池容量下的海上工作周期。

5、通过建立单光子激光雷达精细成像模型，有效地将目标曲面建模为嵌入三维空间的二维流形，并且通过深度、强度和图像背景的依次去躁及点云恢复，能够呈现精细的图像特征，明确入侵物体是友是敌，进行有效预警，可以每秒处理几十帧，同时在一般的每像素多个表面设置中获得最新的重建，可以满足速度、图像清晰度和可伸缩性的要求。

附图说明

图1为本发明提供的基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置结构示意图；

图2为基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置，包括浮力舱1、位于浮力舱1上部的水面目标识别与预警装置2、用于通信的定位接收机3(图中未示出)及定位接收机天线3-1和短波电台4(图中未示出)及短波天线4-1、用于位置检测的高精度亚米级接收机(图中未示出)、位于浮力舱下部的水下重块5、2个标准水听器6、水下激光雷达7和底锚7-1。

通过水下重块5通过连接杆5-1与浮力舱1连接，水下激光雷达7余底锚7-1通过铁链相连，将标准水听器6悬浮于水面2米以下，由于所有吊挂器件通过水密接插件与电子舱连接，所以可灵活配置外挂传感器数量，使浮标具有不同的监测目标距离和背景环境噪声监听能力。并且由于水下重块5和底锚7-1的存在，使整个浮标体形成重心下沉式结构浮标，在大角度倾斜后能够自恢复，具有低重心、水中浮体、小水线、带有自调整浮力的特点，极大地改善了浮标抗涌浪摇摆能力，同时水上浮力储备部分的迎风面积也很小，以很低的结构成本代价获得几十公斤的储备浮力。

水面目标识别与预警装置2包括光电跟踪摄像头2-1和固态值守雷达2-2，采用光电跟踪系摄像头2-1和固态值守雷达2-2联动方式，白天和夜晚可以对周边一定范围内的空域环境和目标作全方位探测、跟踪、监视和预警。固态值守雷达2-2根据预设定的警戒圈，对闯入警戒圈的目标，系统可以认为是闯入者，如有闯入者，固态值守雷达锁定目标后，光电跟踪系统根据雷达提供的APAR信号，可连续地跟踪目标，并随目标移动并动态跟踪，发出警报到岸端指挥中心。

短波天线4-1采用玻璃钢裹敷，并加强30毫米铜管制作而成，极大地改善了天线系统的可靠性和稳定性，还采用了加感线圈和加顶电容，大大提高了天线有效高度。

用于位置检测的高精度亚米级接收机，在我国整个海岸线外300公里的沿海区域内，已建成完整的公用差分台站基站，定位精度可达到1米～5米。由于高精度亚米级接收机使用秒脉冲信号同步，因此可以使每一枚浮标都具有了精确的位置基准和多枚浮标之间的精确同步时间基准＝。本文所述浮标系统利用短波电台4每3分钟或自主设定间隔时间内向母船或岸端指挥中心发送一次浮标位置和工况的报告，使在大面积海域上布设的多枚浮标时刻处于监控之下。

进一步地，本发明提供的基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置标准水听器6的个数可以为3个、4个、5个、6个、7个或8个，根据不同海洋深度的水下环境噪声测量需求进行添加或减少。

如图2所示，本发明还提供一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标系统，包括水下环境噪声测量模块8、水下目标识别与预警模块9、水面目标识别与预警模块10、通信模块11、位置监测模块12、数据采集系统13和电源系统14。

其中，通信模块11包括定位模块11-1和短波信号传输模块11-2。水下目标识别与预警模块9采用水下激光雷达对物体三维精细成像，并在三维空间锁定目标。水下激光雷达精细成像采用单光子激光雷达精细成像模型，激光雷达精细成像模型建立方法，包括以下步骤：

1)将激光雷达精细成像的图像的像素N_r×N_c以及直方图列向量T激光雷达立方体数据用模拟观测值Z表示，其中光子计数记录于像素(i，j)以及直方图列向量t中，形成激光雷达数据立方体集合[Z]_i，j，t＝z_i，j，t∈Z₊＝{0，1，2，...}；

2)采用点集合N_Φ构建三维点云，其中Φ＝{(c_n，r_n)n＝1，...，N_Φ}，其中c_n是点的实际坐标，且c_n∈R³，r_n是点的非标准反射率强度，且r_n∈R₊；

3)点c_n根据公式f(c_n)＝[i，j，t_n]^T投射到激光雷达数据立方体；

4)模拟观测值Z与模型其他参数之间的关系表示为

其中，t∈{1，...，T}，h_i，j(·)是水下激光雷达相关的每像素时间雷达响应，b_i，j是以像素(i，j)表示的当前背景级别，g_i，j是表示探测器灵敏度的比例因子，指数集合N_i，j对应于映射到像素(i，j)的点(c_n，r_n)；

5)假设不同时间点和像素的噪声实现相互独立，构建与观测值z_i，j，t相关的负对数似然函数，形成激光雷达精细成像的图像观测值最大似然估计值g(t，r，b)

其中，p(z_i，j，t|t，r，b_i，j)是与泊松分布相关的概率质量，该函数包含与观测模型相关的所有信息，其最小化等同于最大似然估计。

通过建立单光子激光雷达精细成像模型，有效地将目标曲面建模为嵌入三维空间的二维流形。通过使用计算机图形学的点云去噪步骤，进行点云恢复，可以每秒处理几十帧，同时在一般的每像素多个表面设置中获得最新的重建，通过深度、强度和图像背景的依次去躁及点云恢复，能够呈现精细的图像特征，明确入侵物体是友是敌，进行有效预警，且通过成像模型的建立，使数据处理迅速，于10ms～20ms内进行三维图像重建，能够对复杂的运动场景进行鲁棒、实时的目标重建；采用单光子激光雷达精细成像，其具有的皮秒计时分辨率特点使远距离(数百米至公里)的表面到表面的分辨率非常高，可以满足速度、图像清晰度和可伸缩性的要求。

因海洋浮标固定海上时，会随波浪起伏，传统的声呐无法做到动态跟踪，因此采用具有极高的空间和时间分辨能力的水下目标识别与预警模块，即水下移动激光成像雷达，能够对物体三维精细成像，同时可以在三维空间准确锁定目标，从而提高了对威胁目标的探测效率。如有蛙人或水下航行潜器闯入时，岸端可根据水听器实时监测的水下噪声，进行噪声参数数据分析，分析是否有水下入侵者，由于水听器无法监测入侵者的入侵方向和距离，故又增加水下目标识别与预警模块，进行方向和距离分析，准确进行目标定位。

其中，通信模块11采用用超小型短波数据电台，一方面向岸端指挥中心或指挥母船传送数据，如由具有位置监测模块12的差分定位接收机3测得的浮标实时位置的大地坐标和浮标工作状况，保证对远距离上配置的浮标实时监控，也可传送测量数据或由，如标准水听器背景噪声测量数据、光电系统视频影像、水下激光雷达扫描数据等；

另一方面，由岸端指挥中心或指挥母船向浮标发送遥控指令，实时改变浮标的工作状态、工作流程、测量项目等，采用前向纠错重发(ARQ)及遥控执行回报,极大地提高了遥控可靠性，电台的电功率约为35瓦,，采用PSK编码，能够于150海里的海面地波的通信距离达到接近100％的遥控可靠性。

其中，数据采集系统采用基于低功耗嵌入式工控机和大容量固态硬盘，用于存储大容量的实时水下环境噪声测量模块8测量的水下环境噪声数据，采用12通道同步采样的ADC部件，与不同外接传感器相匹配的信号处理(放大、滤波、增益控制等)插件板可自由更换，适用于不同通道间有相位关系要求的信号采集，设有12个传感器信号输入水密接插件，同时满足了不同传感器的复杂接线要求；不进行数据采集时,可在遥控指令管理下,使系统处于低功耗值班状态(仅有高精度亚米级接收机、电台接收机及少量支撑电路工作)可增加承载有限电池容量下的海上工作周期。

电源系统14采用太阳能电板和免维护铅酸蓄电池。可以保证浮标海上2年工作时间内，无需更换，极大地提高了浮标的使用效率。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标系统，其特征在于，包括水下环境噪声测量模块(8)、水下目标识别与预警模块(9)、水面目标识别与预警模块(10)、通信模块(11)、位置监测模块(12)、数据采集系统(13)和电源系统(14)；

所述通信模块(11)包括定位模块(11-1)和短波信号传输模块(11-2)；

所述水下激光雷达精细成像采用单光子激光雷达精细成像模型，所述激光雷达精细成像模型建立方法，包括以下步骤：

1)将激光雷达精细成像的图像的像素N_r×N_c以及直方图列向量T激光雷达立方体数据用模拟观测值Z表示，其中光子计数记录于像素(i，j)以及直方图列向量t中，形成激光雷达数据立方体集合[Z]_i，j，t＝z_i，j，t∈Z₊＝{0，1，2，...}；

2)采用点集合N_Φ构建三维点云，其中Φ＝{(c_n，r_n)n＝1，...，N_Φ}，其中c_n是点的实际坐标，且c_n∈R³，r_n是点的非标准反射率强度，且r_n∈R₊；

3)点c_n根据公式f(c_n)＝[i，j，t_n]^T投射到激光雷达数据立方体；

4)模拟观测值Z与模型其他参数之间的关系表示为

其中，t∈{1，...，T}，h_i，j(·)是水下激光雷达相关的每像素时间雷达响应，b_i，j是以像素(i，j)表示的当前背景级别，g_i，j是表示探测器灵敏度的比例因子，指数集合N_i，j对应于映射到像素(i，j)的点(c_n，r_n)；

5)假设不同时间点和像素的噪声实现相互独立，构建与观测值z_i，j，t相关的负对数似然函数，形成激光雷达精细成像的图像观测值最大似然估计值g(t，r，b)

其中，p(z_i，j，t|t，r，b_t，j)是与泊松分布相关的概率质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标系统，其特征在于，所述水下目标识别与预警模块(9)采用水下激光雷达对物体三维精细成像，并在三维空间锁定目标。

3.根据权利要求1所述的一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标系统，其特征在于，所述数据采集系统采用12通道同步采样的ADC部件。

4.一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置，其特征在于，包括浮力舱(1)、位于浮力舱(1)上部的水面目标识别与预警装置(2)、用于通信的定位接收机(3)及定位接收机天线(3-1)和短波电台(4)及短波天线(4-1)、用于位置检测的高精度亚米级接收机、位于浮力舱下部的水下重块(5)、若干个标准水听器(6)、水下激光雷达(7)和底锚(7-1)。

5.根据权利要求4所述的一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置，其特征在于，所述标准水听器(6)的个数为2个～8个；所述水下重块(5)通过连接杆(5-1)与所述浮力舱(1)连接。

6.根据权利要求4水面目标识别与预警装置(2)包括光电跟踪摄像头(2-1)和固态值守雷达(2-2)。

7.根据权利要求4所述的一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置，其特征在于，所述短波天线(4-1)采用玻璃钢裹敷，并加强30毫米铜管制作而成。

8.根据权利要求7所述的一种基于水面和水下目标预警的海洋监测浮标装置，其特征在于，所述短波天线(4-1)还采用了加感线圈和加顶电容。

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