CN112261365A - 一种自容式水下声光监测记录装置及记录方法 - Google Patents

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雷波
张劲喆
王宏磊
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Qingdao Research Institute Of Northwest Polytechnic University
Northwestern Polytechnical University
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Qingdao Research Institute Of Northwest Polytechnic University
Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本发明涉及一种自容式水下声光监测记录装置及记录方法，装置由密封外壳、水听器阵列模块、电源转换模块、信号处理模块、采集存储模块、电池组、管理模块以及视频采集模块组成。其特点是：可以在水下长时间工作，实时获取声音信号并完成处理，在声音信号超过阈值后，使用声学监测作为光学监测的触发，并实现二者同时记录。使用该装置可以对海豹、鲸鱼等水下哺乳动物常活动的海域进行长时间监测，便于更好的开展水下动物的科学研究工作，还可以在固定海域对潜航器等水下目标进行监测。

Description

一种自容式水下声光监测记录装置及记录方法
技术领域
本发明属于水下声光监测记录技术，涉及一种自容式水下声光监测记录装置及记录方法
背景技术
海豹、鲸鱼等水下哺乳动物用声音进行导航、定位和交流，利用它们发出的声音可以研究其活动规律。在对水下哺乳动物的监测研究中，可以在水下哺乳动物常活动的水下区域布放设备进行长时间监测，在有动物活动时记录周围的声光信息，以便于更好的开展水下哺乳动物的科学研究，这些设备还可以固定于水下对潜航器等目标进行监测。而一般的水下监测设备仅用声学信息进行监测或者仅用光学信息进行监测，前者所得到的信息量有限，没有办法对目标行为进行深度辨识和研究；而后者只利用光学监测由于无法对目标进行预判，需要进行长期记录，所需要的存储空间及系统功耗非常大，难以保障其长期使用需求。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自容式水下声光监测记录装置及记录方法，根据现有的水下监测装置的设计缺陷，设计了一种由声学监测作为光学监测的触发，实现两者同时记录的水下自容式装置。
技术方案
一种自容式水下声光监测记录装置，其特征在于包括密封外壳1和位于密封外壳上的水听器阵列模块以及视频采集窗口，固定在密封外壳的内部的电源转换模块、信号处理模块、采集存储模块、电池组、管理模块以及视频采集模块；所述包括若干个水听器3，分成多组，每组呈平行状态环绕均布在半径为R米的圆环上；视频采集窗口的位置设有摄像头，并连接视频采集模块；所述电信号连接关系为：水听器阵列模块的输出与信号处理模块的波束形成器的输入连接，波束形成器输出的接收信号方向的信息输出至管理模块，同时判断器接收波束形成器输出的信号做出的判别指令输出至管理模块；管理模块根据判别信息和接收信号方向信息发送指令视频采集模块，调整摄像头的方向并激活采集存储模块，水听器阵列模块、波束形成器和视频采集模块的信息送入采集存储模块。
所述视频采集窗口沿壳体圆周呈环形排列，每个摄像头通过视频采集窗口观测所面对方向的外部信息。
所述水听器阵列模块为的单个水听器为2-20个。
所述半径R的取值范围为0.1-2米。
所述若干个摄像头的取值范围为3～10个。
一种利用所述自容式水下声光监测记录装置进行水下声光监测记录方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：波束形成器对水听器阵列模块接收的水声信号进行短时傅里叶变换；
步骤2：在监测目标发声的频带内选择P个频点进行相对于装置俯仰角0°～180°，水平角范围为0°～360°的波束形成处理，提高这些方位内接收信号的信噪比；
步骤3：判断器计算每个方位上不同频点信号的功率之和，比较得出求和系数最大的方位及相对应的最大系数，将最大的和值系数记为监测系数，其所对应的方位记为目标方位并以此调整摄像头的方向；
步骤4：判断器将测得的监测系数与阈值进行比较，如果测量系数超过阈值，则判断模块向管理模块发送启动指令，同时将波束形成器监测系数对应的方位传输至管理模块；如果监测系数持续超过阈值，则不断发送启动指令；
步骤5：当信号处理模块停止发送启动指令后，监测运行T秒，如果在运行时间内管理模块再没有收到启动指令，管理模块关闭视频采集模块与存储记录模块，一次监测采集工作完成。
所述阈值为：在周围无监测目标的前L个周期测量得到的监测系数的平均值记为基准系数，超出基准系数N分贝的数值设置为阈值。
所述N的取值范围内为1dB-10dB。
所述L的取值范围为5～50。
所述T的取值范围为1-1000。
有益效果
本发明提出的一种自容式水下声光监测记录装置及记录方法，使用该装置可以对海豹、鲸鱼等水下哺乳动物常活动的海域进行长时间监测，便于更好的开展水下动物的科学研究工作，还可以在固定海域对潜航器等水下目标进行监测。装置由密封外壳、水听器阵列模块、电源转换模块、信号处理模块、采集存储模块、电池组、管理模块以及视频采集模块组成。其特点是：可以在水下长时间工作，实时获取声音信号并完成处理，在声音信号超过阈值后，使用声学监测作为光学监测的触发，并实现二者同时记录。
本发明技术方案的主要优点体现在：
1)利用水声信号阈值监测来触发视频采集模块，在精准监测的情况下减少设备功率损耗，从而可以在水下长时间进行工作。
2)在可疑目标靠近时进行声光多维度信息采集存储，提供了更丰富的物理信息。
3)采用水声阵列处理提升了侦听范围，提高了装置水下监测的作用距离。
附图说明
图1监测装置外观图
图2监测装置各模块关系图
图3监测目标相对位置示意图
图4装置信息处理流程图
图5监测装置波束形成图
图6监测装置目标方位及监测系数示意图
1-外壳，2-视频采集窗口，3-单个水听器
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
在某海域布置水下自容式声光监测装置对水下动物的活动进行监测记录，其装置外观如图1所示，三个半径为0.95米的圆环阵组成的水听器阵列模块固定安装在装置密封外壳外部，彼此呈桶状包围装置。其中每个圆环阵上有18个水听器，不间断的对外界水声信号进行监测。密封外壳上间隔分布着光学设备采集窗口，其窗口分布位置保证视频采集模块可以拍摄到装置周围任意水平角度的画面。
监测装置各模块之间关系如图2所示，电池组与电源转换模块为整个监测装置提供能量来源。三个圆环阵组成的阵列接收模块不间断的接收外部水声信号，并将采集到的水声信号传递给信号处理模块。信号处理模块分为波束形成器和判断器两大部分，在判断器判断出大于阈值情况下信号处理模块向管理模块发出指令，与此同时波束形成器向管理模块输出目标方位。管理模块根据波束形成器传输的目标方位开启相应方位上的视频采集模块，阵列信号采集模块与视频采集模块记录相应位置的声光信息并将这些数据传递给采集存储模块。监测系数低于基准系数后停止发出激活指令，视频采集模块与采集存储模块在激活指令停止2分钟后关闭，一次采集记录完成。
监测目标的相对位置如图3所示，以装置中心为原点，目标相对于原点的俯仰角为θ角，目标相对于原点的水平角为φ角，那么监测目标相对于装置的方位就可以用[θ，φ]来表示。装置信号处理流程如图4所示，水听器阵列模块不间断监测装置周围的水声信号，波束形成器模块对水听器阵列采集到的信号缓存后进行离散傅里叶变换。根据监测动物叫声特性，在1950Hz到2050Hz的频带内选取20个频点进行波束形成处理，例如图5为装置阵列对2000Hz下信号方位为[70°，80°]的波束图。对装置所有监测方位的这20个频点波束加权处理后得到的系数平方求平均，最终求得系数值最大的方位即为目标方位，对应的数值即为监测系数。如图6所示，目标方位为[30°,60°],对应的监测系数为16.67。在指定位置布置好监测设备且周围无虎鲸活动的前十个观测周期的监测系数平均值做为基准系数。判断器记录监测系数，并不间断的将实时的监测系数与基准系数进行比较，如果监测系数超过基准系数的2dB，判断器向管理模块发出指令，且将目标相位传给管理模块。如果小于阈值的话，判断器停止给管理模块发送指令。

Claims (9)

1.一种自容式水下声光监测记录装置，其特征在于包括密封外壳(1)和位于密封外壳上的水听器阵列模块以及视频采集窗口，固定在密封外壳的内部的电源转换模块、信号处理模块、采集存储模块、电池组、管理模块以及视频采集模块；所述包括若干个水听器(3)，分成多组，每组呈平行状态环绕均布在半径为R米的圆环上；视频采集窗口的位置设有摄像头，并连接视频采集模块；所述电信号连接关系为：水听器阵列模块的输出与信号处理模块的波束形成器的输入连接，波束形成器输出的接收信号方向的信息输出至管理模块，同时判断器接收波束形成器输出的信号做出的判别指令输出至管理模块；管理模块根据判别信息和接收信号方向信息发送指令视频采集模块，调整摄像头的方向并激活采集存储模块，水听器阵列模块、波束形成器和视频采集模块的信息送入采集存储模块。
2.根据权利要求1所述自容式水下声光监测记录装置，其特征在于：所述视频采集窗口沿壳体圆周呈环形排列，每个摄像头通过视频采集窗口观测所面对方向的外部信息。
3.根据权利要求1所述自容式水下声光监测记录装置，其特征在于：所述水听器阵列模块为的单个水听器为2-20个。
4.根据权利要求1所述自容式水下声光监测记录装置，其特征在于：所述半径R的取值范围为0.1-2米。
5.根据权利要求1所述自容式水下声光监测记录装置，其特征在于：所述若干个摄像头的取值范围为3～10个。
6.一种利用权利要求1～5任一项所述自容式水下声光监测记录装置进行水下声光监测记录方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：波束形成器对水听器阵列模块接收的水声信号进行短时傅里叶变换；
步骤2：在监测目标发声的频带内选择P个频点进行相对于装置俯仰角0°～180°，水平角范围为0°～360°的波束形成处理，提高这些方位内接收信号的信噪比；
步骤3：判断器计算每个方位上不同频点信号的功率之和，比较得出求和系数最大的方位及相对应的最大系数，将最大的和值系数记为监测系数，其所对应的方位记为目标方位并以此调整摄像头的方向；
步骤4：判断器将测得的监测系数与阈值进行比较，如果测量系数超过阈值，则判断模块向管理模块发送启动指令，同时将波束形成器监测系数对应的方位传输至管理模块；如果监测系数持续超过阈值，则不断发送启动指令；
步骤5：当信号处理模块停止发送启动指令后，监测运行T秒，如果在运行时间内管理模块再没有收到启动指令，管理模块关闭视频采集模块与存储记录模块，一次监测采集工作完成。
所述阈值为：在周围无监测目标的前L个周期测量得到的监测系数的平均值记为基准系数，超出基准系数N分贝的数值设置为阈值。
7.根据权利要求6所述的方，其特征在于：所述N的取值范围内为1dB-10dB。
8.根据权利要求6所述的方，其特征在于：所述L的取值范围为5～50。
9.根据权利要求6所述的方，其特征在于：所述T的取值范围为1-1000。
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