一种野外远距离旋翼声音检测定位系统的制作方法

本发明一种野外远距离旋翼声音检测定位系统，用于对野外飞行的直升机旋翼信号进行检测和定位。

背景技术：

直升机的使用广泛应用于各个领域，对于未经审批而飞行的直升机可能对空域的飞行安全，甚至国土安全造成威胁。特别是对于野外环境下，由于人员较少，监管能力较弱，因此需要自动化检测定位系统。

目前检测定位系统的方法主要有四种方法：雷达、光学、热辐射和声音。由于直升机在低空飞行，地面反射杂波较强，使得基于雷达的检测定位系统失效，无法有效检测。另一方面在光线昏暗、有遮挡时，基于光学方法系统无法正常工作。而远距离直升机热辐射很小，使得利用热辐射方法难检测远距离目标。

而直升机声音旋翼声音具有声音能量较大，传播范围较远，不受障碍物遮挡等诸多特点，使得利用声音更有效地对直升机检测、定位和监控。

但是目前利用声音检测定位的方法和系统，具有两个缺点。一是算法效果有待进一步提升，二是系统需要对野外环境进行进一步考虑。而前者可以利用机器学习和深度学习算法予以提升，后者利用前后端分离系统进行重新设计，使得设备可工作于野外环境。

综上，研究基于机器学习算法和深度学习算法，针对野外远距离旋翼声音检测定位系统，实现对野外非法飞行的直升机监控、检测和定位，成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供一种野外远距离旋翼声音检测定位系统，用于对野外飞行的直升机旋翼信号进行检测和定位。

本发明一种野外远距离旋翼声音检测定位系统，用于实现对野外非法飞行的，处于平稳飞行阶段的直升机监控、检测和定位。野外远距离旋翼声音检测定位系统，分为硬件、软件和软硬件系统运行三个部分。

系统硬件部分包括：前端处理子系统、后端处理子系统、网络传输子系统和供电子系统；

所述前端处理子系统，部署在较远的外部场地，负责采集部署地周围的声音，以及相关地理信息；

所述后端处理子系统，部署在室内场地，负责收集前端处理子系统传输的数据，并对数据进行存储、处理和显示，同时负责开发和部署后端数据处理程序；

所述网络传输子系统，负责前端处理子系统和后端处理子系统的数据和指令传输；

所述供电子系统，负责前端处理子系统和后端处理子系统的设备供电。

在硬件构成方面，

所述前端处理子系统，包括：各类传感器、数据采集卡、接口适配器和下位机；

所述各类传感器，包括：声音传感器、地理环境采集系统和风力风向传感器；

所述后端处理子系统，包括：上位机、采集数据库、地图信息库和检测定位展示平台；

系统软件部分，包括采集模块、算法模块、展示模块和开发模块；

所述采集模块，运行在下位机上，负责采集数据，并对数据预处理；

所述算法模块，运行在上位机上，负责目标检测和定位；

所述展示模块，运行在检测定位展示平台上，负责检测定位结果的展示；

所述开发模块，运行在上位机上，负责软件系统的开发。

在系统软硬件运行方面，

所述声音传感器，负责采集部署地周围的声音；

所述地理环境采集系统，负责采集部署地周围的地理位置、设备角度、海拔和环境温度信息；

所述风力风向传感器，负责采集部署地周围的风力和风向信息；

所述数据采集卡，负责采集传感器信号；

所述接口适配器，负责转换传感器接口；

所述下位机，利用采集模块，负责接收传感器采集的数据，并对数据预处理和加密，并将加密后的数据通过网络传输子系统，传输到上位机。

所述上位机，在检测定位时，利用算法模块，负责接收下位机传输的数据，并解密，再将解密后的数据存储到采集数据库中，同时对解密后的数据进行数据处理，并将结果传输至检测定位展示平台，在算法开发时，利用开发模块，负责开发和部署检测、定位算法；

所述检测定位展示平台，利用展示模块，将目标信息显示在屏幕上；

所述采集数据库，负责存储下位机传输的数据；

所述地图信息库，负责存储地图信息；

所述检测定位展示平台，负责展示目标的地理位置信息。

所述网络传输子系统，负责利用有线网络，将信息传输到无线网络接入点覆盖范围，再通过无线网络传输，最后传输至上位机。

所述供电子系统，负责为前端处理子系统、网络传输子系统和后端处理子系统供电；

在为前端处理子系统和网络传输子系统供电时，采用电网供电和蓄电池供电相结合的方式；

在为后端子系统供电时，采用室内电网供电。

在下位机运行时，工作流程是，在数据采集时，进行数据接收，数据处理和数据传输；

所述数据接收，负责控制数据采集卡进行数据采集，并接收采集到的数据；

所述数据处理，负责对采集到的数据进行预处理和加密；

所述数据传输，负责将处理后的数据通过网路传输子系统传输到上位机。

在上位机运行时，工作流程是，在检测定位时，进行数据处理，包括预处理、检测处理和定位处理；

所述预处理，负责解密通过网络传输子系统接收的数据，得到采集数据，并将数据存入采集数据库；

所述检测处理，负责在采集的声音信号数据中，检测直升机声音的存在性，如果出现直升机旋翼声音，则利用定位处理，确定直升机目标的方向；

所述定位处理，负责确定直升机目标相对声音传感器的位置。

综上，本发明提供了一种野外远距离旋翼声音检测定位系统，对野外平稳飞行的直升机检测和定位。

有益效果是，本发明所述技术方案能够智能地检测定位野外飞行的直升机，帮助监管部门监管，提高监管和管理效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需的附图做简单介绍。

图1为本发明实施例的系统结构；

图2为本发明实施例的系统结构的一种情况；

图3是示出图2所示的实施例的一种接口连接情况。

图4是示出图2所示的麦克风阵列的实施例构成；

图5是示出图4所示的麦克风阵列实施例的一种情况；

图6是示出图2所示的地理环境采集系统的实施例构成；

图7是示出图2所示的下位机的实施例构成；

图8是示出图2所示的网络传输子系统的实施例流程；

图9是示出图2所示的上位机的实施例构成；

图10是示出图2所示的检测定位展示平台的实施例构成；

图11是示出图2所示的实施例的典型软硬件系统工作情况；

图12是示出图11所示的检测算法实施例一种典型情况；

图13是示出图11所示的定位算法实施例一种典型情况；

图14是示出本发明实施例的软件开发的一种典型工作情况。

具体实施方案

为了使本领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚的描述，所述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明主要应用于对野外平稳飞行的直升机检测和定位，帮助相关监管部门监管野外的直升机飞行情况。

野外远距离旋翼声音检测定位系统，应用场景是野外环境，对旋翼声音的检测和定位。因此涉及数据的采集、分析和展示，以及设备的通信和供电。如图1所示，整体系统由四个方面构成，包括：前端处理子系统1、后端处理子系统3、网络传输子系统2和供电子系统4；

所述前端处理子系统1，部署在较远的外部场地，负责采集部署地周围的声音，以及相关地理信息；

所述后端处理子系统3，部署在室内场地，负责收集前端处理子系统传输的数据，并对数据进行存储、处理和显示，同时负责开发和部署后端数据处理程序；

所述网络传输子系统2，负责前端处理子系统1和后端处理子系统3的数据和指令传输；

所述供电子系统4，负责前端处理子系统1和后端处理子系统3的设备供电。

系统组成及连接情况的一种实施例，如图2所示，

前端处理子系统1和后端处理子系统3，通过网络传输子系统2进行通信，供电子系统4为整个系统提供电力；

所述前端处理子系统1由五个部分组成，包括：各类传感器、数据采集卡、接口适配器和下位机105；

所述各类传感器，包括：麦克风阵列101、地理环境采集系统102和风力风向传感器104，

其中麦克风阵列101，负责采集周围的声音信号；地理环境采集系统102，负责采集麦克风阵列的经纬度、设备角度、周围温度以及周围气压；风力风向传感器104，负责采集周围的风力和风向；

麦克风阵列101和地理环境采集系统102，与数据采集卡103连接；数据采集卡103，负责采集传感器信号，

优选地，麦克风阵列101选择无源激励型号，地理环境采集系统102部署在麦克风阵列101上；

数据采集卡103与下位机105相连，将采集的数据传输至下位机105；

风力风向传感器104，与下位机105相连，将数据传输至下位机105；

所述下位机105，利用网络传输子系统2通信时，信息均需要经过加解密。

一种硬件接口连接的实施例，如图3所示，

麦克风采用无源激励型号，且传输线接口为bnc接口，地理环境采集系统102的传输线接口为i2c接口，数据采集卡103的接口，可提供0-5v电压，且兼容bnc接口和i2c接口；数据采集卡103通过排线，插入下位机105；风力风向传感器104接口为rs485接口，通过转接器转为usb接口，连入下位机105；下位机105通过以太网线与网络传输子系统2相连。

所述后端处理子系统3，包括：上位机301、采集数据库304、地图信息库303和检测定位展示平台302；

其中由下位机105发送的数据，上位机301负责收集和处理，采集数据库304负责存储，地图信息库303负责存储地图信息，检测定位展示平台302负责显示监测结果；

后端处理子系统3中，上位机301与采集数据库304、地图信息库303、检测定位展示平台302，以及网络传输子系统2相连；检测定位展示平台302和上位机301、地图信息库303相连。

所述上位机301，利用网络传输子系统2通信时，信息均需要经过加解密。

所述网络传输子系统2，包括：有线网络201和无线网络203；

所述供电子系统4，包括：蓄电池供电和电网供电。

各个硬件的组成功能及实施例，

所述麦克风阵列101的组成结构，如图4所示，由水平阵列10101和垂直阵列10101构成，在定位过程中，水平阵列10101负责定位目标水平位置，垂直阵列10102负责定位目标垂直位置；

麦克风阵列的一种实施例，如图5所示，水平阵列10101有两个水平线性阵列组成，垂直阵列10102有两个垂直线性阵列组成。

所述地理环境采集系统102，如图6所示，由海拔传感器10201、北斗定位传感器10204、气温传感器10202、角度传感器10203组成，并将各个传感器数据以串行方式输出。

系统软件部署在下位机105和上位机301上，

所述下位机105软件功能模块组成结构，如图7所示，由数据采集10501,、数据预处理10502、数据加密10503、控制指令10504和通信10505组成。

传感器传输的数据先经过数据采集10501，再经过数据预处理10502；当向上位机传输数据时，先经过数据加密10503，在经过通信模块10505，传送至网络传输子系统2；所有的指令操作由控制指令模块10504控制。

所述网络传输子系统2，由有线网络201和无线网络203构成；

一种实施例，如图8所示，当下位机105处于野外环境，通信条件较为恶劣的情况时，而上位机301处于室内环境，采用有线网络201接入方式与外界通信时，下位机105首先通过有线网络201传输通信，有线网络201延伸到基站覆盖范围或者无线接入点覆盖范围时，将有线网络信号转为无线网络信号，接入无线网络203。无线网络203再将无线信号转为有线网络信号，通过专网或者城域网传输至上位机301。

所述上位机301软件功能组成，如图9所示，由通信模块30101、数据处理模块和算法开发模块30105构成，

所述通信模块30101，包括：网络通信模块30101和加解密模块30102；

网络传输子系统3的数据，经过网络通信模块30101传输至上位机301应用层，加解密模块30102将原始加密信息解密30102，解密后的数据再经过上位机301处理，并存入采集数据库304。

所述数据处理模块，包括：检测算法30103和定位算法30104；

所述检测算法30103，负责在采集的声音信号中，检测直升机声音的存在性，如果出现直升机旋翼声音，则利用定位算法30104，确定直升机目标的方向；

所述定位算法30104，负责确定直升机目标相对声音传感器的位置。

所述软件开发模块30105，负责开发检测算法30103和定位算法30104，同时负责软件之间的调试和部署。

所述检测定位展示展示平台302，如图10所示，由地图显示模块30201和目标显示模块30202构成；

地图显示模块30201，和地图信息库303相连，将地图信息库303中的地图信息，显示在平台上；

目标显示模块30202，与上位机301相连，将上位机301处理得到的目标相对位置，转换为经纬度坐标，以及高度坐标，显示在平台上。

在系统软硬件工作运行方面，一种实施例，如图11所示，

首先数据采集模块10501采集各类传感器数据s101，送入下位机105，下位机数据预处理模块10502，进行数据预处理s102，将预处理后的数据，利用数据加密模块10503进行数据加密s103；然后送入有线网络201和无线网络203，进行数据传输s104；上位机301接收到数据后，利用上位机解密模块30102进行数据解密s105，并将解密后的数据存入采集数据库304；最后对解密后的数据进行数据处理，利用检测算法30102，进行目标检测s106，从声音信号中，判断是否有目标出现，如果没有，则处理结束，如果有，则利用定位算法30104进行目标定位s107，计算出目标的位置，并将目标的位置信息传输至检测定位展示平台302；展示平台302将数据转换为经纬度、高度坐标，更新目标信息s108，并结合地图信息库303，显示在展示平台302上。

所述检测算法s106的一种实施例，如图12所示，

检测算法s106基于时频分析和深度学习，将声音信号分片s10601，分片间隔不小于分片长度的1/4，对分片做短时fourier变换s10602，利用卷积神经网络(cnn)s10603提取信号特征，

优选地，提取的特征，保留时间序列的顺序性，

将信号特征，送入循环神经网络(rnn)s10603，利用rnn对目标的存在情况，进行判断。

所述定位算法的一种实施例，如图13所示，

定位算法s107基于声功率谱分析，通过检测垂直阵列10102信号的声功率谱进行垂直方向定位s10701，同样地，通过检测水平阵列信号10101的声功率谱进行水平方向定位s10702，之后通过水平方向定位s10702和垂直方向定位s10701得到的参数信息，进行经纬度转换s10703.

系统软件开发流程，如图14所示，先明确开发的软件的类型，当为算法模块时，先建立模型s201，再从采集数据库304中获取数据，并清洗s202，最后训练模型s203；训练后的模型如果是检测算法，那么部署至上位机的检测模块s204，如果为定位算法，则部署至上位机的定位模块s205；如果开发的软件是采集模块部分，则开发采集模块s206，再部署至下位机采集模块s207。

以上实例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改和替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。