一种基于波束形成技术的水下监控装置及方法

1.本技术属于水声探测装备技术领域，具体地，涉及一种基于波束形成技术的水下监控装置及方法。


背景技术：

2.近几年，随着海洋探测开发领域的不断发展，港口和海港已成为重要的攻击目标。在公开的国与国之间的战争中，水雷可有效地制止水下偷袭；但在今天持续不断的非战争冲突中，需要提前探测具有危险性的水下目标，以便采取有效措施——礼貌地要求对方离开，或进行致命的还击。
3.针对上述对于水下目标的监控需求，蛙人探测声呐、反蛙人探测设备等技术也在不断地发展。其中，现有技术中经常使用基于波束形成技术的蛙人探测声呐对水下目标进行探测和监控。波束形成技术是通讯、声呐、雷达等领域的重要阵列信号处理方法，它能够通过目标的入射方向和回波数据等信息判断目标的距离及方向，使波束主瓣对准期望信号，旁瓣和零陷对准干扰信号。通过这种方式可以提高信号输出的信噪比，从而达到某一标准下的最佳接收的成果。目前，蛙人探测声呐探测的距离已达几百米甚至上千米。
4.然而上述蛙人探测声呐在实际应用中存在着误差及诸多影响因素，如，现有的蛙人探测声呐均存在近程盲区，对突破其监控范围进入近程盲区的水下目标无法进行探测和监控，此外，各种鱼类及其他海洋生物也可能被错误地识别为具有危险性的水下目标，从而造成误报情况的发生。因此，有必要提供一种能够对港口区域形成全面且无盲区的监控，并能够有效地区别具有危险性的水下目标和无危险性的水下目标的水下监控装置，以有效地提高水下监控的准确性和全覆盖性。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中存在的问题和缺陷，本技术的目的在于提供一种基于波束形成技术的水下监控装置及使用该装置的水下监控方法。
6.本技术的一方面提供一种基于波束形成技术的水下监控装置，包括主控台和两个蛙人探测声呐，所述主控台包括处理器、存储器、通信模块、电源模块、报警模块；所述蛙人探测声呐分别布设于港口两侧水下岸壁，并与所述主控台进行双向通信；每个蛙人探测声呐包括发射换能器、接收换能器、控制模块、存储模块、通信模块和电源模块，所述控制模块接收主控台的控制命令，并向发射换能器发送发射指令，所述发射换能器根据控制模块的发射指令，通过波束形成将电信号形式的发射信号转换为有指向性的水声信号进行发射，所述接收换能器有指向性地持续接收水声信号并转换为电信号形式的接收信号，所述存储模块用于存储所述接收信号；
7.所述蛙人探测声呐还包括蛙人识别单元和红外识别单元；
8.所述蛙人识别单元包括第一识别模块、计算模块、第二识别模块和目标样本库；
9.所述第一识别模块用于获取所述接收信号并判断接收信号的信噪比dt是否大于
预设的目标出现阈值，如果判断结果为假，则将接收信号判定为低活跃度信号并重新获取接收信号，如果判断结果为真，则判定有待测水下目标出现，并将接收信号判定为非低活跃度信号；
10.所述计算模块用于基于非低活跃度信号计算待测水下目标的目标强度ts
待测
；
11.所述第二识别模块用于将ts
待测
与目标样本库中预存的多种目标概率模型进行比较，如果ts
待测
满足一般活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为一般活跃度目标并控制第一识别模块重新获取接收信号，如果ts
待测
满足高活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为高活跃度目标，并通过控制模块向主控台发送报警信号；
12.所述红外识别单元包括红外摄像头和图像识别模块，所述红外摄像头持续获取两个蛙人探测声呐的探测盲区的红外图像，所述图像识别模块识别红外图像中的待测水下目标并进行判定，如判定结果为高活跃度目标，则通过控制模块向主控台发送报警信号。
13.进一步地，所述一般活跃度概率模型基于对多种鱼类的目标强度测定实验确定，具体为
[0014][0015]
其中，ts为水下目标的目标强度，l为水下目标的长度，单位为厘米，a、b为回归系数，基于对多种鱼类的目标强度测定实验确定，σ为水下目标的反向散射截面，ii、ir分别是入射平面波声强和目标散射声强度，λ为声波波长。
[0016]
进一步地，所述高活跃度概率模型基于对蛙人及多种鱼雷的目标强度测定实验确定，具体为
[0017]
ts＝10lgcl2/2λ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0018]
或者
[0019]
ts持续稳定在一固定数值附近，
[0020]
其中，ts为水下目标的目标强度，l为水下目标的长度，c为水下目标的径向半径，λ为声波波长。
[0021]
优选地，当发射信号频率为100khz时，所述固定数值的取值范围为[-25db，-20db]或[-16db，-14db]。
[0022]
优选地，所述ts持续稳定在一固定数值附近，具体为：ts围绕所述固定数值以一固定频率上下波动，所述固定频率处于人的呼吸频率范围内。
[0023]
优选地，所述控制模块在待测水下目标被判定为高活跃度目标后，调整发射信号的频率。
[0024]
进一步地，接收信号的信噪比dt基于下式确定：
[0025][0026]
其中，所述接收换能器输出端的噪声功率基于接收换能器的固有特性和接收换能器所处的水声环境预先测量确定。
[0027]
进一步地，待测水下目标的目标强度ts
待测
基于下式确定：
[0028]
sl-2tl ts
待测-(nl-di)＝dt，
[0029]
其中，sl为发射换能器的辐射声源级，tl为由发射换能器到待测水下目标的等效声学中心的传播损失，nl为设备的工作带宽内的环境噪声声级，di为接收换能器的接收指向性指数。
[0030]
进一步地，主控台的处理器用于向每个蛙人探测声呐发送控制命；存储器用于保存蛙人探测声呐传回的接收信号和报警信号；报警装置用于在接收到报警信号后启动报警操作。
[0031]
本技术的另一方面提供一种基于波束形成技术的水下监控方法，使用上述基于波束形成技术的水下监控装置进行水下目标的监控，包括以下步骤：
[0032]
步骤一：根据发射指令，通过波束形成将电信号形式的发射信号转换为有指向性的水声信号进行发射；
[0033]
步骤二：有指向性地持续接收水声信号并转换为电信号形式的接收信号；
[0034]
步骤三：获取接收信号并判断接收信号的信噪比dt是否大于预设的目标出现阈值，如果判断结果为假，则将接收信号判定为低活跃度信号并重新获取接收信号，如果判断结果为真，则判定有待测水下目标出现，并将接收信号判定为非低活跃度信号；
[0035]
步骤四：基于非低活跃度信号计算待测水下目标的目标强度ts
待测
；
[0036]
步骤五：将ts
待测
与预存的多种目标概率模型进行比较，如果ts
待测
满足一般活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为一般活跃度目标并重新获取接收信号，如果ts
待测
满足高活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为高活跃度目标，并发送报警信号；
[0037]
步骤六：持续获取两个蛙人探测声呐的探测盲区的红外图像，识别红外图像中的待测水下目标并进行判定，如判定结果为高活跃度目标，则发送报警信号。
[0038]
本技术的实施例提供的一种基于波束形成技术的水下监控装置及方法至少具有以下有益效果：
[0039]
(1)本技术提供的水下监控装置使用两个蛙人探测声呐进行水下目标的探测以扩大对港口附近水域进行监控的范围，同时通过红外识别单元对蛙人探测声呐的探测盲区进行红外图像的识别，从而实现了对港口水域全方位的监控；
[0040]
(2)预先对不同水下目标进行目标强度实验，获取其目标辐射信号特征并建立对应的目标概率模型，利用鱼类、蛙人、鱼雷等不同的水下目标所具有的不同的目标概率模型对待测水下目标进行识别，从而能够迅速、有效地区分鱼类等一般活跃度目标和蛙人、鱼雷等高活跃度目标，有效地提高了水下目标识别的准确性。
[0041]
(3)利用蛙人在水下进行呼吸所产生的目标强度周期性波动的特征对其目标概率模型进行改进，从而能够更加准确地识别蛙人这一水下目标；
[0042]
(4)在识别出高活跃度目标后，进一步通过改变蛙人探测声呐所发射的水声信号的频率，实现对高活跃度目标的警告、驱离，从而扩展了水下监控装置的用途。
附图说明
[0043]
图1为根据本技术实施例的基于波束形成技术的水下监控装置的布设俯视图；
[0044]
图2为根据本技术实施例的基于波束形成技术的水下监控装置的系统框图；
[0045]
图3为根据本技术实施例的进行水下监控的一种具体实施方式的流程图；
[0046]
图4为根据本技术实施例的基于波束形成技术的水下监控方法的流程图。
具体实施方式
[0047]
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本技术进行进一步说明。
[0048]
此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本技术的保护范围。
[0049]
单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。
[0050]
在本技术实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是本技术实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，本技术的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本技术的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
[0051]
本说明书中词汇是为了说明本技术的实施例而使用的，但不是试图要限制本技术。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0052]
本技术实施例的一方面提供一种基于波束形成技术的水下监控装置，图1示出了根据本技术实施例的上述水下监控装置布设于港口的俯视图，图2为根据本技术实施例的上述水下监控装置的系统框图，如图1、图2所示，本技术实施例提供的基于波束形成技术的水下监控装置包括主控台和两个蛙人探测声呐，所述蛙人探测声呐分别布设于港口两侧水下岸壁，并与所述主控台进行双向通信。
[0053]
具体地，所述主控台包括处理器、存储器、通信模块、电源模块、报警模块。其中，控制器通过通信模块向每个蛙人探测声呐发送控制命；存储器用于保存蛙人探测声呐传回的接收信号和报警信号；通信模块用于与每个蛙人探测声呐进行有线或无线方式的双向通信，报警装置用于在接收到报警信号后启动报警操作，电源模块对上述各个模块进行供电。
[0054]
具体地，每个蛙人探测声呐包括发射换能器、接收换能器、控制模块、存储模块、通信模块和电源模块。控制模块接收主控台的控制命令，并向发射换能器发送发射指令，发射换能器根据控制模块的发射指令，通过波束形成将电信号形式的发射信号转换为有指向性的水声信号进行发射，接收换能器有指向性地持续接收水声信号并转换为电信号形式的接收信号，存储模块用于存储接收信号，通信模块用于与主控台进行有线或无线方式的双向通信，电源模块为上述各个模块供电。
[0055]
在本技术的一些实施例中，发射换能器根据发射指令周期性地改变发射的水声信号的指向，即波束主瓣的方向，以实现对探测水域的扇形扫描，同时接收换能器保持其接收水声信号的波束主瓣与发射换能器同步以获取水下目标的反射信号，通过在港口两侧分别设置蛙人探测声呐，并周期性地进行扫描，能够有效地扩大对港口附近水域进行监控的范
围。以上各组成部分及其工作原理均为本领域的技术人员所知晓的常规技术。
[0056]
在本技术的一些具体的实施例中，发射换能器可以按照固定的时间间隔t，定时地发射时长为t的正弦波水声信号，其中正弦波的频率范围为[15khz，200khz]，t和t的取值根据需要覆盖的探测水域面积等确定。
[0057]
在本技术的一些优选的实施例中，主控台和蛙人探测声呐的电源模块使用太阳能电池板提供电力，从而降低了设备能耗。
[0058]
在本技术的一些优选的实施例中，蛙人探测声呐的控制模块全部基于fpga进行处理，代替了传统的arm(精简指令集机器)、fpga和dsp(嵌入式数字信号处理器)相组合的模式，实现了低功耗的效果。
[0059]
进一步地，为解决现有技术中使用蛙人探测声呐的水下监控装置所存在的对水下目标识别率准确率低，容易误识别以及存在探测盲区的问题，如图2所示，本技术提供的基于波束形成的水下监控装置，其蛙人探测声呐进一步包括蛙人识别单元和红外识别单元，以下对蛙人识别单元和红外识别单元的实施方式进行详细的介绍。
[0060]
如图2所示，蛙人识别单元包括：包括第一识别模块、计算模块、第二识别模块和目标样本库。
[0061]
第一识别模块用于获取所述接收信号并判断接收信号的信噪比dt是否大于预设的目标出现阈值，如果判断结果为假，则将接收信号判定为低活跃度信号并重新获取接收信号，如果判断结果为真，则判定有待测水下目标出现，并将接收信号判定为非低活跃度信号。
[0062]
具体地，接收换能器持续地有指向性地获取水声信号并转换为电信号形式的接收信号，第一识别模块获取上述接收信号后计算接收信号的信噪比dt并判断其是否大于预设的目标出现阈值，其中dt基于下式确定：
[0063][0064]
式中的接收换能器输出端的噪声功率基于接收换能器的固有特性和接收换能器所处的水声环境预先测量确定，dt代表了接收信号高于接收换能器固有的噪声的分贝值，如果dt大于预设的目标出现阈值，则说明有待测水下目标出现，反之则说明接收信号中并未包含明显超过噪声功的有效信号。目标出现阈值的取值可以通过对港口附近水下目标存在状态下的接收信号功率进行实测确定，在本技术的一些优选的实施例中，目标出现阈值的取值范围为[6db,9db]，优选地为7db。
[0065]
所述计算模块用于基于非低活跃度信号计算待测水下目标的目标强度ts
待测
。
[0066]
具体地，当dt超过目标出现阈值时，第一识别模块能够判定有待测水下目标出现，此时的接收信号就作为非低活跃度信号，由计算模块根据下式计算待测水下目标的目标强度ts
待测
：
[0067]
sl-2tl ts
待测-(nl-di)＝dt。
[0068]
式中sl为发射换能器的辐射声源级，tl为由发射换能器到待测水下目标的等效声学中心的传播损失，基于待测水下目标与发射换能器的距离确定，nl为设备的工作带宽内的环境噪声声级，di为接收换能器的接收指向性指数。sl、nl可以通过下式实测确定：
[0069][0070]
其中i
out
|
r＝1
为发射换能器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，i0为参考声强，i
echo
|
r＝1
为入射声波相反方向上、离目标等效中心1米处的回声强度，ii为目标处入射平面波的强度。
[0071]
利用上述各式获取待测水下目标的目标强度ts
待测
后，即可由第二识别模块进行识别以确定其具体类别。
[0072]
第二识别模块用于将ts
待测
与目标样本库中预存的多种目标概率模型进行比较，如果ts
待测
满足一般活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为一般活跃度目标并控制第一识别模块重新获取接收信号，如果ts
待测
满足高活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为高活跃度目标，并通过控制模块向主控台发送报警信号。
[0073]
水下目标的类型多种多样，鱼类、蛙人、鱼雷等不同类型的水下目标，其目标强度表现出了不同特性，如鱼类呈现出扁平状的轮廓、鱼雷则明显体现出圆柱状的形态，蛙人由于其运动速度较慢，往往体现出目标强度在某一固定数值附近持续较长时间的特性，对于使用开式呼吸器的蛙人，其开始呼吸所产生的气泡群对应的目标强度也具有明显的对应于呼吸频率的上下波动的情况。
[0074]
通过预先进行大量的目标强度测定实验并进行统计，能够针对上述各种类型的水下目标建立其目标概率模型，并预存入目标样本库中，在获得待测水下目标的目标强度ts
待测
后，由第二识别模块通过最大似然估计的方法判断ts
待测
值满足何种目标概率模型，从而准确地识别一般活跃度目标与高活跃度目标。
[0075]
具体地，在本技术的一些优选的实施例中，一般活跃度概率模型基于对多种鱼类的目标强度测定实验确定，具体为
[0076][0077]
其中，ts为水下目标的目标强度，l为水下目标的长度，单位为厘米，a、b为回归系数，基于对多种鱼类的目标强度测定实验确定，σ为水下目标的反向散射截面，ii、ir分别是入射平面波声强和目标散射声强度，λ为声波波长。
[0078]
需要说明的是，针对不同的鱼类，(1)式中l、a、b的取值可以不同，即不同的鱼类分别对应符合不同参数(l、a、b)的一般活跃度概率模型，因此，在判断待测水下目标是否为一般活跃度目标时，一般需要依次与各种鱼类各自的概率模型进行匹配。
[0079]
如之前部分的分析，上式(1)代表了鱼类等一般活跃度目标的目标强度特征，当待测水下目标的目标强度ts
待测
与(1)式匹配时，则将其判定为一般活跃度目标，此时无需进行报警，并由第一识别模块重新获取接收信号以进行新的识别操作。
[0080]
具体地，在本技术的一些优选的实施例中，高活跃度概率模型基于对蛙人及多种
鱼雷的目标强度测定实验确定，具体为
[0081]
ts＝10lgcl2/2λ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0082]
或者
[0083]
ts持续稳定在一固定数值附近，
[0084]
其中，ts为水下目标的目标强度，l为水下目标的长度，c为水下目标的径向半径，λ为声波波长。
[0085]
如之前部分的分析，上式(2)代表了鱼雷这类带有明显的圆柱形态的高活跃度目标的目标强度特征，其中c代表了圆柱体的径向半径；ts持续稳定在一固定数值附近则代表了蛙人这类慢速运动的高活跃度目标的目标强度特征。
[0086]
通过进行大量的目标强度测定实验，我们发现当声呐发射的水声信号的频率为100khz时，使用闭式呼吸器的蛙人的目标强度范围在-20～-25db，使用开式呼吸的蛙人，其产生的气泡群的目标强度约为-15db，因此，在本技术的一些优选的实施例中，当发射信号频率为100khz时，所述固定数值的取值范围为[-25db，-20db]或[-16db，-14db]。
[0087]
此外，蛙人的声信号随着人的呼吸频率表现出周期性的特征，因此在本技术的一些优选的实施例中，所述ts持续稳定在一固定数值附近，具体为：ts围绕所述固定数值以一固定频率上下波动，所述固定频率处于人的呼吸频率范围内。
[0088]
当第二识别模块将待测水下目标判定为高活跃度目标后，即通过控制模块向主控台发送报警信号。
[0089]
如图2所示，本技术实施例的蛙人探测声呐除蛙人识别单元外，还包括红外识别单元，红外识别单元包括红外摄像头和图像识别模块，红外摄像头持续获取两个蛙人探测声呐的探测盲区的红外图像，图像识别模块识别红外图像中的待测水下目标并进行判定，如判定结果为高活跃度目标，则通过控制模块向主控台发送报警信号。
[0090]
作为参考，图3示出了根据本技术实时例的蛙人探测声呐进行水下监控的一种具体实施方式的流程图，如图3所示，在本技术的一些优选的实施例中，控制模块在待测水下目标被判定为高活跃度目标后，调整发射信号的频率。具体地，可以通过调高发射信号的频率对蛙人进行警告，或通过调节发射信号的频率对鱼雷等设备进行干扰。
[0091]
在本技术的实施例中，主控台的处理器用于向每个蛙人探测声呐发送控制命；存储器用于保存蛙人探测声呐传回的接收信号和报警信号；报警装置用于在接收到报警信号后启动报警操作。具体地，主控台的处理器在接收到蛙人探测声呐发送的报警信号后，通过报警装置启动报警操作，向远程的控制中心发送报警信息及以及对高活跃度信号的特征分析信息。
[0092]
本技术实施例的另一方面提供一种基于波束形成技术的水下监控方法，使用上述基于波束形成技术的水下监控装置进行水下目标的监控，如图4的流程图所示，包括以下步骤：
[0093]
步骤一：根据发射指令，通过波束形成将电信号形式的发射信号转换为有指向性的水声信号进行发射；
[0094]
步骤二：有指向性地持续接收水声信号并转换为电信号形式的接收信号；
[0095]
步骤三：获取接收信号并判断接收信号的信噪比dt是否大于预设的目标出现阈值，如果判断结果为假，则将接收信号判定为低活跃度信号并重新获取接收信号，如果判断
结果为真，则判定有待测水下目标出现，并将接收信号判定为非低活跃度信号；
[0096]
步骤四：基于非低活跃度信号计算待测水下目标的目标强度ts
待测
；
[0097]
步骤五：将ts
待测
与预存的多种目标概率模型进行比较，如果ts
待测
满足一般活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为一般活跃度目标并重新获取接收信号，如果ts
待测
满足高活跃度概率模型，则将待测水下目标判定为高活跃度目标，并发送报警信号；
[0098]
步骤六：持续获取两个蛙人探测声呐的探测盲区的红外图像，识别红外图像中的待测水下目标并进行判定，如判定结果为高活跃度目标，则发送报警信号。
[0099]
上述水下监控方法的原理及具体实施方式已在前文进行了详细的说明，在此不再赘述。
[0100]
以上对本技术的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本技术权利要求的保护范围。