一種水下智能避障聲吶系統(tǒng)與障礙物檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下避障領(lǐng)域,特別涉及一種水下智能避障聲吶系統(tǒng)與障礙物檢測方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著自動控制,電子計算機和能源技術(shù)的快速發(fā)展,水下無人航行器的應用越來 越廣泛。自主智能避障是水下無人航行器在水下活動時的一個關(guān)鍵。為了保障水下無人航 行器的航行安全,水下無人航行器大都配備避障聲吶。
[0003] 當水下無人航行器在近岸活動時,避障聲吶受船只航行造成的水下氣泡影響非常 大,經(jīng)常會將氣泡帶誤報為障礙物,從而形成虛警。現(xiàn)有避障聲吶大都采用閾值比較方式判 定是否為障礙物。由于氣泡的目標強度較高,聲波遇到氣泡后會有較強的回波,通過閾值判 定會造成虛警和誤判。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的避障聲吶容易將氣泡誤報為障礙物的缺陷,從而提 供一種能有效避免氣泡帶形成的虛警問題的避障聲吶系統(tǒng)與障礙物檢測方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種水下智能避障聲吶系統(tǒng),包括:聲波發(fā)射模 塊、聲波接收模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊;其中,
[0006] 所述聲波發(fā)射模塊用于在水下發(fā)射指定形式的聲波信號;所述聲波接收模塊用于 在水下接收指定形式的聲波信號;所述數(shù)據(jù)處理模塊用于對接收到的聲波信號進行處理, 包括:構(gòu)造回波信號的非線性特征,根據(jù)所述非線性特征抑制氣泡回波噪聲,以及檢測回波 信號中的局部波峰,通過對局部波峰寬度的計算實現(xiàn)障礙物檢測。
[0007] 上述技術(shù)方案中,所述聲波發(fā)射模塊包括發(fā)射換能器和發(fā)射機,由發(fā)射機產(chǎn)生的 指定形式的聲波信號經(jīng)發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換后發(fā)射出去。
[0008] 上述技術(shù)方案中,所述聲波接收模塊包括接收機和接收換能器;所述接收換能器 用于將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,所述接收機用于將電信號進行調(diào)理放大,并將模擬信號轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號。
[0009] 本發(fā)明還提供了基于所述的水下智能避障聲吶系統(tǒng)所實現(xiàn)的障礙物檢測方法,包 括:
[0010] 步驟1)、發(fā)射聲波信號;
[0011] 步驟2)、接收所發(fā)射聲波信號的回波信號;
[0012] 步驟3)、構(gòu)造所接收的回波信號的非線性特征,利用該非線性特征作為度量算子 抑制氣泡回波噪聲;
[0013] 步驟4)、根據(jù)經(jīng)過步驟3)處理的回波信號實現(xiàn)障礙物檢測。
[0014] 上述技術(shù)方案中,在所述步驟1)中,所發(fā)射的聲波信號為一組聲波信號,其發(fā)射周 期為T,發(fā)射脈沖數(shù)為N ;當發(fā)射脈沖數(shù)N為2時,所述發(fā)射信號采用如下表示:
[0015] s (t) =p (t) -p (t- Δ )
[0016] 其中,λ表示同一周期兩個脈沖之間的間隔;p(t)為任意信號形式。
[0017] 上述技術(shù)方案中,在所述步驟2)中,聲波發(fā)射完成后,延遲一定的時間τ,開始接 收聲信號;所接收的聲信號e(t)采用如下表達式:
【主權(quán)項】
1. 一種水下智能避障聲吶系統(tǒng),其特征在于,包括:聲波發(fā)射模塊、聲波接收模塊以及 數(shù)據(jù)處理模塊;其中, 所述聲波發(fā)射模塊用于在水下發(fā)射指定形式的聲波信號;所述聲波接收模塊用于在水 下接收指定形式的聲波信號;所述數(shù)據(jù)處理模塊用于對接收到的聲波信號進行處理,包括: 構(gòu)造回波信號的非線性特征,根據(jù)所述非線性特征抑制氣泡回波噪聲,以及檢測回波信號 中的局部波峰,通過對局部波峰寬度的計算實現(xiàn)障礙物檢測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下智能避障聲吶系統(tǒng),其特征在于,所述聲波發(fā)射模塊包 括發(fā)射換能器和發(fā)射機,由發(fā)射機產(chǎn)生的指定形式的聲波信號經(jīng)發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換后發(fā)射出 去。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下智能避障聲吶系統(tǒng),其特征在于,所述聲波接收模塊包 括接收機和接收換能器;所述接收換能器用于將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,所述接收機用于將 電信號進行調(diào)理放大,并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
4. 基于權(quán)利要求1-3之一所述的水下智能避障聲吶系統(tǒng)所實現(xiàn)的障礙物檢測方法,包 括: 步驟1)、發(fā)射聲波信號; 步驟2)、接收所發(fā)射聲波信號的回波信號; 步驟3)、構(gòu)造所接收的回波信號的非線性特征,利用該非線性特征作為度量算子抑制 氣泡回波噪聲; 步驟4)、根據(jù)經(jīng)過步驟3)處理的回波信號實現(xiàn)障礙物檢測。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的障礙物檢測方法,其特征在于,在所述步驟1)中,所發(fā)射的聲 波信號為一組聲波信號,其發(fā)射周期為T,發(fā)射脈沖數(shù)為N ;當發(fā)射脈沖數(shù)N為2時,所述發(fā) 射信號采用如下表示: s(t) = p(t)-p(t-A) 其中,Λ表示同一周期兩個脈沖之間的間隔;p(t)為任意信號形式。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的障礙物檢測方法,其特征在于,在所述步驟2)中,聲波發(fā)射完 成后,延遲一定的時間τ,開始接收聲信號;所接收的聲信號e(t)采用如下表達式:
其中,dV表示聲吶波束照射范圍內(nèi)的體積積分,R表示聲吶基陣至空間點的距離,且R =Rt+!^,其中Rt為聲吶發(fā)射基陣至空間點的距離,艮為聲吶接收基陣至空間點的距離; 所接收的聲信號e(t)進一步分解為: e(t) = e!(t)+e2(t); 其中ei(t)和^⑴分別表示p(t)和-p(t-A)兩組信號對應的回波。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的障礙物檢測方法,其特征在于,所述步驟3)包括: 步驟3-1)、構(gòu)造回波信號的非線性特征; 根據(jù)ei(t)和^⑴構(gòu)造聲吶回波信號的非線性特征度量,即非線性特征β為:
其中,L為信號能量算子,取包括絕對值和、平方和在內(nèi)的形式; 步驟3-2)、氣泡回波噪聲抑制; 為了有效抑制氣泡回波噪聲,將之前所得到的回波信號的非線性特征作為度量算子對 回波信號進行抑制,抑制后的回波信號為: q^t) = e^t) X β (t) q2(t) = e2(t) X β (t)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的障礙物檢測方法,其特征在于,所述步驟3)還包括:在步驟 3-1)和步驟3-2)之間的、對非線性特征β (t)采用加窗濾波處理以濾除野值的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的障礙物檢測方法,其特征在于,所述步驟4)包括: 步驟4-1)、信號預處理; 根據(jù)發(fā)射聲波的信號形式,對回波Q1 (t)和q2(t)進行匹配濾波; 步驟4-2)、峰值檢測;該步驟包括:采用二次差分的峰值提取脈沖信號的局部頂點,將 所述局部頂點所對應的峰值強度大于一設(shè)定參數(shù)的局部頂點作為回波局部峰值; 步驟4-3)、計算步驟4-2)檢測到的波峰的寬度; 步驟4-4)、根據(jù)聲波回波的峰的寬度,確定是否為障礙物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的障礙物檢測方法,其特征在于,所述步驟4-2)進一步包括: 步驟4-2-1)、聲波接收完成后,將連續(xù)聲信號q(t)轉(zhuǎn)換為離散的q(i); 步驟4-2-2)、計算離散聲信號的一次差分、一次差分符號、二次差分以及局部頂點;包 括: 采用下式計算信號的一次差分: (I1 (i) = q(i)-q(i-l); 采用下式提取一次差分的符號: S1Q) = sign ((I1Q)); 采用下式計算信號的二次差分: s2 (i) = S1(I)-S1(I-I); 根據(jù)下式提取局部頂點,信號的頂點處滿足的條件如下: S2 (i) = -2 ; 如果滿足上式條件,且峰值強度大于設(shè)定的參數(shù)ντ,則認為此處為回波局部峰值。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水下智能避障聲吶系統(tǒng),包括:聲波發(fā)射模塊、聲波接收模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊;其中,聲波發(fā)射模塊用于在水下發(fā)射指定形式的聲波信號;聲波接收模塊用于在水下接收指定形式的聲波信號;數(shù)據(jù)處理模塊用于對接收到的聲波信號進行處理,包括:構(gòu)造回波信號的非線性特征,根據(jù)非線性特征抑制氣泡回波噪聲,以及檢測回波信號中的局部波峰,通過對局部波峰寬度的計算實現(xiàn)障礙物檢測。本發(fā)明所提供的水下智能避障聲吶系統(tǒng)可以有效的避免氣泡帶形成的避障聲吶的虛警問題。
【IPC分類】G01S15-04, G01S15-93
【公開號】CN104730529
【申請?zhí)枴緾N201310704207
【發(fā)明人】劉維, 尹力, 黃海寧
【申請人】中國科學院聲學研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2013年12月19日