CN117031402B - 一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法，属于声光融合监测设备技术领域，水下声探组件通过外接弯头水密接插件和线缆连接有水上光感组件，本发明通过图2可知采用了四个水听器的方式，用于从四个方向采集白海豚声信号，解决了单个水听器无法通过声音信号对白海豚进行定位的问题，本发明通过声感组件与光感组件的相互组合达到无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启，解决了摄像头长期开启耗电的缺陷的功能，现有技术无法实现长期固定在小型的浮标上的功能，本发明通过图1和图2可知设备设计方便安装在浮标上的分体结构，使设备可以长期固定在小型浮标上开展测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型浮标，特别是涉及一种基于小型浮标的声光融合监测设备，属于声光融合监测设备技术领域。
背景技术
由于中华白海豚不仅利用声音进行通讯、交流，还利用声音躲避障碍和搜寻食物，因而被动声学是鲸类监测最有效手段，中华白海豚的观测手段为走航调查，受周围噪声、设备、数据采集周期的限制存在一定的局限性，且无法记录周围船舶、人类活动的影响。
如申请号为：202210541058.1公开的一种中华白海豚哨叫声信号自动检测和提取方法，步骤1：对采集到的包含中华白海豚哨叫声信号的数据进行预处理；步骤2：得到的包含中华白海豚哨叫声信号的数据进行截取，切分成若干个时间片段，对全部时间片段逐个执行如下操作，得到含有中华白海豚哨叫声信号的信号起止时间结果；步骤3：根据步骤2中自动检测并保存的含有中华白海豚哨叫声信号的信号起止时间结果，重新对步骤1预处理后的信号进行切分，然后对切分后得到的包含中华白海豚哨叫声信号的信号生成时频图，并自动将每段信号生成的时频图保存，实现针对在海豚研究中进行长期声呐信号采集获得的海量数据的全自动检测和提取，降低对人工干预的依赖，提升效率。
基于检索和分析我们得出现有技术仍然存在不足：
1、现有技术单单采用了声学观测手段对白海豚的行迹进行观测，本发明集合声学和光学两种观测手段同时观测白海豚的行迹，相较于本发明现有技术中的观测手段观测的数据准确性低，无法解决声学和光学设备一体化独立观测的功能；
2、现有技术中的声呐探头无法实现多目标和多方向采集声音的功能，本发明通过4个被动声呐探头，可从至少4个方向采集声音并分组处理，相较于本发明现有技术无法实现多目标探测、多目标定位的问题；
3、现有技术无法实现对白海豚进行拍摄和无法实现自动打开摄像功能的功能，本发明通过网口发送定位和识别信息，触发光学摄像头开启，相较于本发明现有技术耗能较高，无法进行拍摄；
4、现有技术需要大量的人员进行实时观测和追踪海豚，本发明通过固定的平台进行观测海豚，现有技术无法连续长时间的进行观察；
5、现有技术中的声探组件较重，本申请中的固定结构为碳纤维结构，减轻了设备的重量，相较于本发明现有技术较重，针对上述不足，通过本发明一种基于小型浮标的声光融合监测设备做出如下改进。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种基于小型浮标的声光融合监测设备，因为现有技术无法多向进行声探的功能，本发明通过图1和图2可知采用了十字型水听器固定杆组件、多组水听器组件以相互组合方式可以实现多方位进行采集的功能，因为现有技术无法实现进行对多目标同时定位的功能，本发明通过图1和3可知，采用端点检测方法，准确检测出每个 click 信号的到达时刻，通过相位解缠绕计算阵元之间的时延，相比常规方法时延估计精度更高；分别计算每一组的回声定位信号，实现多目标同时定位的功能，因为现有技术无法对海豚和船舶及周围的图像进行采集的功能，本发明通过图1和图3可知采用了可见光摄像头，用于采集白海豚及周围船舶的图像信息，因为现有技术无法进行降低耗能的功能，本发明通过声感组件与光感组件的相互组合达到无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启，解决了摄像头长期开启耗电的缺陷的功能，现有技术无法实现长期固定在小型的浮标上的功能，本发明通过图1和图2可知设备设计方便安装在浮标上的分体结构，使设备可以长期固定在小型浮标上开展测量。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于小型浮标的声光融合监测设备，包括用于水下声探的水下声探组件；
水下声探组件通过外接弯头水密接插件、水听器连接弯头水密接插件、压力传感器、上盖、舱体、水听器、长碳纤维固定杆、短固定杆、短端水听固定件、支撑杆固定件、长端水听器固定件、水听器保护架和管件组成；
水下声探组件通过外接弯头水密接插件和线缆连接有水上光感组件，水下声探组件顶部中间安装有用于与水上光感组件连接的外接弯头水密接插件，水下声探组件通过舱体和上盖组成；
水上光感组件通过摄像头、水面单元上盖、水面单元舱体、GPS定位件、接插件和4G天线组成；
上盖顶部的外接弯头水密接插件外圈呈环绕状安装有水听器连接弯头水密接插件，水听器连接弯头水密接插件的外端连接有管件，管件的外端安装有水听器，水听器通过至少组进行组合安装；
水下声探组件底部分别安装有长碳纤维固定杆和短固定杆，且长碳纤维固定杆和短固定杆呈十字型安装，长碳纤维固定杆和短固定杆通过支撑杆固定件与水下声探组件固定连接；
长碳纤维固定杆的外端安装有长端水听器固定件，短固定杆的外端安装有短端水听固定件，且水听器通过短端水听固定件和长端水听器固定件与长碳纤维固定杆和短固定杆固定连接；
水听器外套设有水听器保护架，上盖顶部的外接弯头水密接插件外侧安装有压力传感器。
优选的、水上光感组件通过水面单元上盖和水面单元舱体组成，且水面单元上盖覆盖在水面单元舱体上，线缆通过水上光感组件上的接插件进行连接；
接插件上连接有摄像头，水上光感组件上安装有GPS定位件，通过网口将信号传输给水上光感组件启动摄像头进行拍摄，进行拍摄水上光感组件上安装有4G天线，将拍摄的图像传输给远程接收端。
优选的、水听器通过长碳纤维固定杆和短固定杆呈十字型布置。
优选的、水听器的通道信号为500kHz、20bit进行采样。
优选的、GPS定位件的定位信息与水下声探组件定位算法融合的定位结果相融合得到白海豚信号方位和距离的定位信息，并传输给水上光感组件。
优选的、白海豚通过GPS定位件将定位信息转为GPS经纬度坐标，并将该信息通过网口告知水上光感组件。
优选的、水上光感组件为可见光摄像头。
优选的、水下声探组件将信号传输给水上光感组件启动摄像头，4G天线将视频传输到远程数据显控接收端。
优选的、管件缠绕在长碳纤维固定杆和短固定杆上。
优选的、短端水听固定件和长端水听器固定件与水听器、长碳纤维固定杆和短固定杆为拆卸结构。
一种基于小型浮标的声光融合监测设备的使用监测设备的方法，包括如下步骤：
步骤一：本设备采用4个水听器按照4个方位通过长碳纤维固定杆和短固定杆呈十字型布置，白海豚信号频率为10k～100kHz，4个水听器每通道信号500kHz、20bit采样；四个水听器进行采集水听器声信号，水下声探组件采集设备的航向角、俯仰角、横滚角信息和设备所处深度、水温，并将采集数据通过以太网传输给水上光感组件，水上光感组件与水下声探组件通过水密线缆进行通信，并给水下声探组件和水听器供电；
步骤二：水下声探组件采用端点检测方法，准确检测出每个 click 信号的到达时刻，通过相位解缠绕计算阵元之间的时延，相比常规方法时延估计精度更高；分别计算每一组的回声定位信号，再结合阵元位置进行角度估计；
步骤三：通过对声信号的识别，若判定为白海豚信号，则水上光感组件将定位结果融合GPS定位信息，将白海豚定位信息转为GPS经纬度坐标，并将该信息通过网口告知水上光感组件；
步骤四：水上光感组件上的摄像头为可见光摄像头，用于采集白海豚及周围船舶的图像信息的功能；
步骤五：通过接收水上光感组件发过来的触发信号，无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的一种基于小型浮标的声光融合监测设备，因为现有技术无法多向进行声探的功能，本发明通过图1和图2可知采用了十字型水听器固定杆组件、多组水听器组件以相互组合方式可以实现多方位进行采集的功能，因为现有技术无法实现进行对多目标同时定位的功能，本发明通过图1和3可知，采用端点检测方法，准确检测出每个 click 信号的到达时刻，通过相位解缠绕计算阵元之间的时延，相比常规方法时延估计精度更高；分别计算每一组的回声定位信号，实现多目标同时定位的功能，因为现有技术无法对海豚和船舶及周围的图像进行采集的功能，本发明通过图1和图3可知采用了可见光摄像头，用于采集白海豚及周围船舶的图像信息，因为现有技术无法进行降低耗能的功能，本发明通过声感组件与光感组件的相互组合达到无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启，解决了摄像头长期开启耗电的缺陷的功能，现有技术无法实现长期固定在小型的浮标上的功能现有技术多为随船走航的方式，采集白海豚声音和图像信息，无法长期实时观测，本发明通过图1和图2可知，设备设计适用于安装在浮标山的结构，使设备可以长期固定在小型浮标上开展测量。
附图说明
图1为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的整体结构主视图；
图2为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的水听器外观安装示意图；
图3为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的数据交互终端外观安装示意图；
图4为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的外接弯头水密接插件侧视图；
图5为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的水听器连接弯头水密插接件侧视图；
图6为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的压力传感器侧视图；
图7为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的上盖俯视图；
图8为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的舱体俯视图；
图9为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的水听器侧视图；
图10为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的长碳纤维固定杆示意图；
图11为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的短固定杆示意图；
图12为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的短端水听器固定件示意图；
图13为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的支撑杆固定件示意图；
图14为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的长端水听器固定件示意图；
图15为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的水听器保护架；
图16为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法及方法的一优选实施例的摄像头示意图；
图17为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的水面单元上盖示意图；
图18为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的水面单元舱体示意图；
图19为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的GPS件示意图；
图20为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的接插件示意图；
图21为按照本发明的一种基于小型浮标的声光融合监测设备及方法的一优选实施例的4G天线示意图。
图中：1-外接弯头水密接插件，2-水听器连接弯头水密接插件，3-压力传感器，4-上盖，5-舱体，6-水听器，7-长碳纤维固定杆，8-短固定杆，9-短端水听固定件，10-支撑杆固定件，11-长端水听器固定件，12-水听器保护架，13-摄像头，14-水面单元上盖，15-水面单元舱体，16-GPS定位件，17-接插件，18-4G天线,19-水下声探组件，20-水上光感组件，21-管件。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明相比现有技术我们认为具体提供了四方面的改进技术对此我们进行总分的方式进行列举：
改进方案1：
因为现有技术无法多向进行声探的功能，本发明通过图1和图2可知采用了十字型水听器固定杆组件、多组水听器组件以相互组合方式可以实现多方位进行采集的功能。
改进方案2：
因为现有技术无法实现进行对多目标同时定位的功能，本发明通过图2可知，采用端点检测方法，准确检测出每个 click 信号的到达时刻，通过相位解缠绕计算阵元之间的时延，相比常规方法时延估计精度更高；分别计算每一组(的回声定位信号，实现多目标同时定位的功能。
改进方案3：
因为现有技术无法对海豚和船舶及周围的图像进行采集的功能，本发明通过图1和图3可知采用了可见光摄像头，用于采集白海豚及周围船舶的图像信息。
改进方案4：
因为现有技术无法进行降低耗能的功能，本发明通过声感组件与光感组件的相互组合达到无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启，解决了摄像头长期开启耗电的缺陷的功能。
综上所述本发明存在一体化的改进技术方案，通过图1-21可知其功能上将列举的改进方案1-4进行有机的组合在一起构成了一体化设备实现了自动化声光同步对海豚和船舶多向数据采集、自动化开启拍摄、自动化关闭和节能的功能。
针对上述列举的改进方案1我们进行详细的论述和将解：
接下来我们通过图1进行观察，水下声学定位单元包括水下声探组件19和4个水听器6，可从多个方位采集声信号，来实现多目标探测、定位，解决了单一探头的无法定位只有识别的缺陷，本设备上的水下声探组件通过外接弯头水密接插件、水听器连接弯头水密接插件、压力传感器、上盖、舱体、水听器、长碳纤维固定杆、短固定杆、短端水听固定件、支撑杆固定件、长端水听器固定件、水听器保护架和管件组成。
通过图1和图2可知，本设备采用4个水听器6按照4个方位呈十字型布置，白海豚信号频率为10k～100kHz，4个水听器6每通道信号500kHz、20bit采样；四个水听器采集水听器声信号，水下声探组件19采集设备的航向角、俯仰角、横滚角信息和设备所处深度、水温，并将采集数据通过以太网传输给水上光感组件20，水上光感组件20与水下声探组件19通过水密线缆进行通信，并给水下声探组件19和水听器6供电，本设备上的水上光感组件通过摄像头、水面单元上盖、水面单元舱体、GPS定位件、接插件和4G天线18组成。
针对上述列举的改进方案2我们进行详细的论述和将解：
水下声探组件19采用端点检测方法，准确检测出每个 click 信号的到达时刻，通过相位解缠绕计算阵元之间的时延，相比常规方法时延估计精度更高；分别计算每一组的回声定位信号，再结合阵元位置进行角度估计，实现多目标同时定位的功能，该方法复杂度低，能够满足实时性要求。
针对上述列举的改进方案3我们进行详细的论述和将解：
通过对声信号的识别，若判定为白海豚信号，则水上光感组件20将定位结果融合GPS定位信息，将白海豚定位信息转为GPS经纬度坐标，并将该信息通过网口告知水上光感组件20。
水上光感组件20上的摄像头13为可见光摄像头，用于采集白海豚及周围船舶的图像信息的功能。
针对上述列举的改进方案4我们进行详细的论述和将解：
通过接收水上光感组件20发过来的触发信号，无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启，解决了摄像头长期开启耗电的缺陷。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于小型浮标的声光融合监测设备的使用监测设备的方法，其采用了一种基于小型浮标的声光融合检测设备，包括用于水下声探的水下声探组件（19），水下声探组件（19）通过外接弯头水密接插件（1）和线缆连接有水上光感组件（20），水下声探组件（19）顶部中间安装有用于与水上光感组件（20）连接的外接弯头水密接插件（1），水下声探组件（19）通过舱体（5）和上盖（4）组成，上盖（4）顶部的外接弯头水密接插件（1）外圈呈环绕状安装有水听器连接弯头水密接插件（2），水听器连接弯头水密接插件（2）的外端连接有管件（21），管件（21）的外端安装有水听器（6），水听器（6）通过至少4组进行组合安装，水下声探组件（19）底部分别安装有长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8），且长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）呈十字型安装，长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）通过支撑杆固定件（10）与水下声探组件（19）固定连接，长碳纤维固定杆（7）的外端安装有长端水听器固定件（11），短固定杆（8）的外端安装有短端水听固定件（9），且水听器（6）通过短端水听固定件（9）和长端水听器固定件（11）与长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）固定连接，水听器（6）外套设有水听器保护架（12），上盖（4）顶部的外接弯头水密接插件（1）外侧安装有压力传感器（3），水上光感组件（20）通过水面单元上盖（14）和水面单元舱体（15）组成，且水面单元上盖（14）覆盖在水面单元舱体（15）上，线缆通过水上光感组件（20）上的接插件（17）进行连接，接插件（17）上连接有摄像头（13），水上光感组件（20）上安装有GPS定位件（16），通过网口将信号传输给水上光感组件（20）启动摄像头（13）进行拍摄，进行拍摄水上光感组件（20）上安装有4G天线（18），将拍摄的图像传输给远程接收端，水听器（6）通过长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）呈十字型布置，水听器（6）的通道信号为500kHz、20bit进行采样，GPS定位件（16）的定位信息与水下声探组件（19）定位算法融合的定位结果相融合得到白海豚信号方位和距离的定位信息，并传输给水上光感组件（20），白海豚通过GPS定位件（16）将定位信息转为GPS经纬度坐标，并将该信息通过网口告知水上光感组件（20），水上光感组件（20）为可见光摄像头，水下声探组件（19）将信号传输给水上光感组件（20）启动摄像头（13），4G天线（18）将视频传输到远程数据显控接收端，管件（21）缠绕在长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）上，短端水听固定件（9）和长端水听器固定件（11）与水听器（6）、长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）为拆卸结构，其特征在于：其使用监测设备的方法还包括如下步骤：
步骤一：本设备采用4个水听器（6）按照4个方位通过长碳纤维固定杆（7）和短固定杆（8）呈十字型布置，白海豚信号频率为10k～100kHz，4个水听器（6）每通道信号500kHz、20bit采样；四个水听器进行采集水听器声信号，水下声探组件（19）采集设备的航向角、俯仰角、横滚角信息和设备所处深度、水温，并将采集数据通过以太网传输给水上光感组件（20），水上光感组件（20）与水下声探组件（19）通过水密线缆进行通信，并给水下声探组件（19）和水听器（6）供电；
步骤二：水下声探组件（19）采用端点检测方法，准确检测出每个 click 信号的到达时刻，通过相位解缠绕计算阵元之间的时延，相比常规方法时延估计精度更高；分别计算每一组的回声定位信号，再结合阵元位置进行角度估计；
步骤三：通过对声信号的识别，若判定为白海豚信号，则水上光感组件（20）将定位结果融合GPS定位信息，将白海豚定位信息转为GPS经纬度坐标，并将该信息通过网口告知水上光感组件（20）；
步骤四：水上光感组件（20）上的摄像头（13）为可见光摄像头，用于采集白海豚及周围船舶的图像信息的功能；
步骤五：通过接收水上光感组件（20）发过来的触发信号，无触发信号处于关闭状态，接收到信号则开启。
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