一种管道应急声通信方法技术

本发明专利技术公开一种管道应急声通信方法，包括：将待传输的信息转换为二进制数字信号；将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；从接收到的信号中截取一段信号作为参考信号与原信号求相关，通过最短重叠分析的方法译码得到所传输的信息。本发明专利技术降低了时延测量误差，保证了译码的正确率，通信速率比现有管道应急声通信系统提高了约118%，且计算量小，具备一定的抗干扰性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及管道应急声通信
，具体为一种管道应急声通信方法。
技术介绍
煤矿是我国的重要能源之一，煤矿开采时因地质条件复杂、高瓦斯、违规开采等原因，煤矿安全事故在国内外都时有发生。在现有的矿井通信系统时，有线和无线通信的链路都很容易受到破坏，导致无法进行及时有效的通信，以刚性管道作为传输媒介的管道应急声通信系统作为一种应急的通信手段，具有很好的生存性能，提高了矿难发生时营救的通信保障。现有的管道应急声通信系统中，管道声信号的编码方式采用的是类似于莫尔斯电码的格式编码或类似S模式应答信号格式的编码。采用类似于莫尔斯电码的格式编码方式中，用9个声脉冲表示“报头”，用6个声脉冲表示bit“1”，用3个声脉冲表示bit“0”，接收端进行端点检测以提取其特征值，再对其进行模糊聚类实现“报头“、bit“1”和bit“0”的分离。这样的编码效率比较低，信息传输比较慢，约只有0.14bit/s，信息传输效率在17％～33％之间。采用类似S模式应答信号格式的编码方式中，用先有0.1s的声脉冲后停止0.4s表示bit“1”，用停止0.5s表示bit“0”，用长度为4s的4个固定位置的声脉冲来表示信息组的前导，每个信息组有7个码元，采用(7，4)循环码，信息传输速率约为0.93bit/s，传输效率接近56％。虽然采用类似S模式应答信号格式的编码方式信息速率和编码效率都有所提升，但仍然比较低。管道应急声通信系统的信息传输速率仍然有待提高。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种传输效率更高的管道应急声通信方法，技术方案如下：一种管道应急声通信方法，包括将待传输的信息转换为二进制数字信号；将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；根据采集到的声信号译码得到所传输的信息。进一步的，所述译码的方法如下：建立能够存放N帧数据的数据处理数组，N为携带一个完整码元的最短数据的帧数向上取整，也即： N = [ 2 T p + Δ τ ( 2 n - 1 ) T f ] + 1 ]]>其中，Tf为采集一帧数据所用的时间，Tp为完成一次敲击所需要的时间，△τ为编码量化间隔，n为每个码元携带的bit数；每次执行时将数据处理数组中的各帧数据顺次前移一帧的位置，最前的一帧数据移出，当前接收到的一帧数据存放入最后一帧的位置；从接收到的信号中截取一段信号作为时延估计的参考信号；用上述参考信号与当前数据处理数组做一次滑动相关，得到一组敲击信号的相关峰；对该组敲击信号的相关峰进行时延差译码，计算各相邻峰值之间的时间差，然后通过聚类得到数据处理数组中的N帧数据携带的码元信息；从该组敲击信号的相关峰中截取前N-1帧数据所对应的相关峰，进行时延差译码并计算相邻峰值之间的时间差，再通过聚类得到前N-1帧数据携带的码元信息；对比上述N帧数据携带的码元信息和前N-1帧数据携带的码元信息，计算得到最后一帧数据携带的码元信息，即为接收到的当前信息。更进一步的，所述参考信号的截取方法为：确定敲击信号：从接收到的信号中读取N帧数据，并进行滤波以提高有用信号的信噪比，若滤波后的信号中幅度小于预设的幅度阈值的点数小于预设的数量阈值，则认定无敲击信号，否则认定为有敲击信号；对有敲击信号的数据进行短时傅里叶变换，并计算各频率点的能量；选取能量最大的频率点，截取该频率点处连续不为零的一段信号作为时延估计的参考信号。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术采用差分Pattern时延差编码技术将信息调制于敲击管道的时间间隔中，通信速率比现有管道应急声通信系统提高了约118％；2)本专利技术通过分析能量最强频率点从接收到的信号中截取参考信号与原信号求相关，根据相关峰的位置可以较精确的得到敲击信号间的时延差，降低时延测量误差，从而保证译码的正确率；3)本专利技术通过使用相干重置技术来估计时延差，提高了管道应急声通信系统的抗干扰性；4)本专利技术在数据处理过程中使用最短重叠分析的方法译码，有效的减小了接收端译码的计算量。附图说明图1为本专利技术管道应急声通信方法的系统框图。图2为本专利技术管道应急声通信编码示意图。图3为本专利技术管道应急声通信系统中接收端数据处理流程图。图4为本专利技术管道应急声通信方法中相关处理后的信号示意图。图5为本专利技术管道应急声通信方法中译码过程信号处理示意图。图6为本专利技术管道应急声通信方法中参考信号的截取方法流程图。图7为本专利技术管道应急声通信方法中最短重叠分析法步骤流程图。图8为本专利技术实施实例中接收端采集到的一段敲击信号的时域波形图。图9为本专利技术实施实例中相关处理后得到的信号相关峰值位置图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。如图1所示，一种管道应急声通信方法步骤如下：在发信端将待传输的信息进行信息编码，转换为二进制数字信号；再将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；然后通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；接收端根据采集到的声信号滤波去噪后进行时延差译码得到所传输的信息。具体实施过程如下：1、发信端编码实现方法：按照图2所示的差分Pattern时延差编码示意图，将敲击管道产生的声信号作为Pattern码，Tp为发信机完成一次敲击所需要的时间；Ti表示第i个敲击的时刻；τi表示调制的时间，τi∈[0,Tc]，其中Tc为最大编码时间。若每个码元携带nbit信息，则将最大编码时间Tc分为2n-1份，编码量化层例如，当每个码元携带4bit信息时，则将编码时间均匀分成15份。第i个码元的时延差为τi＝Ti+1-Ti-Tp＝ki×△τ(ki＝0,1,…2n-1)式中，第i个码元信息的参考时基是前一码元，不同的τi代表不同的信息，若k＝0，则代表信息“0000”，时延差τ＝0；若k＝8，则代表信息“1000”，时延差τ＝8×△τ。2、接收端数据采集与处理过程：接收端采用如图3所示，数据采集与数据处理并行的处理方式，在Labview环境下实现，当数据采集速度大于数据处理速度时，来不及处理的数据被放在缓冲队列中。采集循环每执行一次，从数据缓存区读取一次数据，每次取到的数据组成一个元素经过去偏置后进入队列。处理循环每执行一次，从队列中取一个元素进行处理。3、接收端数据处理的实现：译码过程如图5流程图所示，详细步骤如下：a、对接收到的原始信号滤波去噪。通过对原始信号滤波，提高有用信号的信噪比。b、参考信号截取管道应急声通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管道应急声通信方法，其特征在于，包括将待传输的信息转换为二进制数字信号；将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；根据采集到的声信号译码得到所传输的信息。

【技术特征摘要】
1.一种管道应急声通信方法，其特征在于，包括将待传输的信息转换为二进制数字信号；将上述二进制数字信号进行差分Pattern时延差编码；通过敲击管道传输信号：将完成一次敲击所需要的时间作为Pattern码的脉宽，将前一次敲击声结束到下一次敲击声开始间的时间间隔作为一个码元的编码时间；根据采集到的声信号译码得到所传输的信息。2.根据权利要求1所述的管道应急声通信方法，其特征在于，所述译码的方法如下：建立能够存放N帧数据的数据处理数组，N为携带一个完整码元的最短数据的帧数向上取整，也即： N = [ 2 T p + Δ τ ( 2 n - 1 ) T f ] + 1 ]]>其中，Tf为采集一帧数据所用的时间，Tp为完成...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，李顺，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51