一种基于波束形成技术的水下监控装置及方法

技术特征：
1.一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；其特征在于：所述蛙人探测声呐还包括蛙人识别单元和红外识别单元；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；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；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
；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；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。2.根据权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于：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，i
i
、i
r
分别是入射平面波声强和目标散射声强度，λ为声波波长。3.根据权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于：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ts＝10lgcl2/2λ
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(2)或者ts持续稳定在一固定数值附近，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。
4.根据权利要求3所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于：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]。5.根据权利要求3所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于：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。7.根据权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于，接收信号的信噪比dt基于下式确定：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。8.根据权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于，待测水下目标的目标强度ts
待测
基于下式确定：sl-2tl ts
待测-(nl-di)＝dt，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。9.根据权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置，其特征在于：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。10.一种基于波束形成技术的水下监控方法，使用如权利要求1所述的基于波束形成技术的水下监控装置进行水下目标的监控，其特征在于，包括以下步骤：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；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；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；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
；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；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。

技术总结
本申请提供一种基于波束形成技术的水下监控装置及方法，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；每个蛙人探测声呐还包括蛙人识别单元和红外识别单元，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，所述红外识别单元包括红外摄像头和图像识别模块。本申请提供的基于波束形成技术的水下监控装置及方法，能够对全面地监控港口附近水域，并准确地识别待测水下目标的类型。并准确地识别待测水下目标的类型。并准确地识别待测水下目标的类型。


技术研发人员：李倩倩 闫露露 施剑 罗宇 孙洋
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.05.10
技术公布日：2022/8/9