一种粮虫探测装置及方法

专利名称：一种粮虫探测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种监测装置及方法，特别是一种利用音频探测技术进行粮虫检测的
粮虫探测装置及方法。
背景技术：
目前，粮虫检测是粮食行业的重要研究内容，粮虫的密度等信息是进行粮虫防治 的重要依据。现有的测定方法主要有以下几种诱捕法(信息素、食物引诱剂、陷阱、光电与 抽样等)、人工识别法、图像识别法、近红外法和声音识别法等。诱捕的方法各自存在一些难 以克服的技术问题，比如信息素技术成本较高，美国、日本、加拿大等国进行了深入研究，但 我国尚处于起步阶段；食物引诱剂存在性能单一、粮虫"厌食"等问题；陷阱诱捕对害虫的 运动情况有依赖；光电诱捕受环境影响大，且对避光性粮虫无效；抽样诱捕工作量大、劳动 强度高、工作环境差、效率低。而人工识别是我国一直采用的传统技术，通过借助图像传感 器、放大镜、显微镜等工具或直接用肉眼判别害虫的种类，并统计其数量。该方法工作量大、 效率低、操作人员素质要求高。近红外方法一般用于实验室研究，对于完好粮粒和虫蚀颗粒 的鉴别效果较好，但效率偏低，尤其对不同成虫或不同幼虫的种类鉴别达不到满意的效果。
专利号为"ZL01125651.6"，名称为"粮库粮虫智能监测系统及方法"的中国发明专 利，公开了一种粮虫监测系统及方法，该系统有监测中心主计算机与粮仓前端多路视频监 测站、插入粮食的影像探测杆组成。由探测杆摄取粮食及粮虫影像，经模拟视频信号方式送 至监测站进行数字化，处理后在监测中心计算机进行识别及各类处理。该专利所采用的图 像识别技术有较高的识别率，但残缺粮粒、草籽、害虫的姿态等因素对识别的效果有较大的 影响，且只能识别粮食外部的非隐蔽性粮虫。 语音识别技术是通过粮虫的取食、运动时的声音来检测的，所以它既可以检测成 虫，也可以检测幼虫，既可以检测粮食外部的粮虫、也可检测粮食内部的粮虫。专利号为 "ZL200420117725.0"，名称为"一种粮食害虫声频探测头结构"的中国实用新型专利公开的 粮食害虫声频探测头结构，可以快速采集到粮食仓储害虫的种类、虫口密度和不同危害程 度的特征声谱信号，但其在从含有传感器噪音、环境噪音、信号噪声等于扰的原始语音信号 中，提取有用的粮虫活动信号方面，还存在缺陷。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种粮虫探测装置及方法，该装置及方法可从 含有传感器噪音、环境噪音、信号噪声等干扰的原始语音信号中，提取有用的粮虫活动信 号，实现粮虫密度的准确、自动以及高效探测。
为了实现上述目的，本发明提供了一种粮虫探测装置，其中，包括 声音信号采集模块，用于采集并放大被测粮食样品内粮虫的活动声音； 信号传输模块，与所述声音信号采集模块连接，用于接收所述活动声音并将所述
活动声音转换为音频数字信号输出；
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粮虫定位模块，与所述信号传输模块连接，用于接收、存储所述音频数字信号，处 理所述音频数字信号得到所述粮虫的音频特征参数，并用互相关函数定位计算得到所述粮 虫空间位置； 统计输出模块，与所述粮虫定位模块连接，用于根据所述粮虫空间位置统计并输 出所述粮虫的数量。 上述的粮虫探测装置，其中，所述声音信号采集模块包括 隔音室，用于降低环境噪声的干扰，提高信噪比； 样品容器，设置在所述隔音室内，用于容置所述被测粮食样品； 音频传感器阵列，设置在所述样品容器内，用于从多方位对所述粮虫的活动声音 进行探测。 上述的粮虫探测装置，其中，所述音频传感器阵列包括活动插板及多个音频探测 头，所述活动插板上设置有多个传感器安置孔，所述音频探测头分别安装在所述传感器安 置孔内。 上述的粮虫探测装置，其中，所述粮虫定位模块包括 信号接收及存储单元，用于接收并存储所述信号传输模块输出的音频数字信号；
信号处理单元，用于将所述音频数字信号处理为音频特征参数，所述音频特征参 数包括幅度、均值、方差、频率； 信号运算单元，用于根据所述音频特征参数计算所述被测粮食样品中的粮虫位置。 上述的粮虫探测装置，其中，所述信号运算单元包括定位次单元，用于计算确定所 述粮虫的位置，所述定位次单元包括 确定相对延时时间子单元，用于对所述音频特征参数进行互相关函数计算得到所
述音频数字信号到达所述声音信号采集模块的任意两采集点的相对延时时间； 确定空间位置子单元，用于根据所述相对延时时间及空间定位公式计算并得到所
述粮虫的空间位置坐标。 上述的粮虫探测装置，其中，所述信号运算单元还包括验证次单元，用于验证所述 粮虫的位置，所述验证次单元包括 声源声强计算子单元，用于根据所述相对延时时间及所述粮虫的空间位置坐标计 算并得到声源声强参数； 比较判断子单元，用于对所述声源声强参数与设定阈值进行比较，并根据比较结 果做出是否粮虫的判断； 选择子单元，用于根据判断结果，选择输出、结束或返回所述定位次单元。
上述的粮虫探测装置，其中，所述信号传输模块包括顺次连接的信号放大器、A/D 转换模块及信号输出端口 ，所述信号输出端口为无线发射器，所述信号接收及存储单元对 应设置有无线接收器。 为了更好地实现上述目的，本发明还提供了 一种粮虫探测方法，包括如下步骤
声音信号采集步骤，用于采集并放大被测粮食样品内粮虫的活动声音；
信号传输步骤，用于接收所述活动声音并将所述活动声音转换为音频数字信号输 出；
粮虫定位步骤，用于接收、存储所述音频数字信号，处理所述音频数字信号得到所
述粮虫的音频特征参数，并用互相关函数定位计算得到所述粮虫的空间位置； 统计输出步骤，根据所述粮虫空间位置统计并输出所述粮虫的数量。
上述的粮虫探测方法，其中，所述声音信号采集步骤包括 设置一隔音室，用于降低环境噪声的干扰，提高信噪比； 在所述隔音室内设置一样品容器，用于容置所述被测粮食样品； 在所述样品容器内设置音频传感器阵列，用于从多方位对所述粮虫的活动声音进
行探测。
上述的粮虫探测方法，其中，所述粮虫定位步骤包括 信号接收及存储步骤，用于接收并存储所述信号传输模块输出的音频数字信号；
信号处理步骤，用于将所述音频数字信号处理为音频特征参数，所述音频特征参 数包括幅度、均值、方差、频率； 信号运算步骤，用于根据所述音频特征参数计算所述被测粮食样品中的粮虫空间 位置。 上述的粮虫探测方法，其中，所述信号运算步骤包括定位步骤，用于计算确定所述 粮虫的空间位置，所述定位步骤包括 确定相对延时时间步骤，用于对所述音频特征参数进行互相关函数计算得到所述
音频数字信号到达所述声音信号采集步骤的任意两采集点的相对延时时间t :
t = kTs = ;1^(052 + 式中，k = 1，2， ......， N， i为所述音频探测头的序号， N，用于互相关计算的所述音频探测头的点数， t，所述相对延时时间， S^所述1号采集点获得的音频数字信号幅值， S2，所述2号采集点获得的音频数字信号幅值，
，互相关处理后得到的互相关函数， kTs，为互相关函数取最大值时对应的时间，
L，采样时间； 确定空间位置步骤，用于根据所述相对延时时间及空间定位公式计算并得到所述 粮虫的空间位置坐标(X， Y， Z)，所述空间定位公式如下
& = [ (X-Xi) 2+ (Y-Yi) 2+ (Z—Z》2]1/2..................1 粮虫到第i个音频探测头和到i+l个音频探测头的相对延时时间t对应的距离 为 t*c = ti*C-ti+1*C = R「Ri+1 = [ (X-Xi) 2+ (Y-Yi) 2+ (Z—Z》2] 1/2- [ (X_Xi+1) 2+ (Y_Yi+1) 2+ (Z_Zi+1)2]1/2..................2 Xi， Yi， Zi， Xi+1， Yi+1， Zi+1已知，测得三个所述音频探测头相互之间的相对延时时间 t，代入所述公式2，联立三个方程计算得到所述粮虫的空间位置坐标，
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其中， i为所述音频探测头的序号， &为粮虫到所述第i个音频探测头的距离， c为声速， Xi， Yi， Zi，为第i个音频探测头的空间坐标， Xi+1， Yi+1， Zi+1，为第i+1个音频探测头的空间坐标。 上述的粮虫探测方法，其中，所述信号运算步骤还包括验证步骤，用于验证所述粮 虫的空间位置，所述验证步骤包括 声源声强计算步骤，用于根据所述相对延时时间及所述粮虫的空间位置坐标计算 并得到声源声强参数戸。 令F。 = (F。i+F。j+F。k) /3，声源声强按如下公式计算 F。 = F*R2/ a a是比例系数，由试验确定， F。为声源的声强， F为探测到的声强， R为粮虫到所述音频探测头的声音传输距离， i， j， k，为所述音频探测头的序号， FM， F。j， F。k，分别为对应所述音频探测头推算得到的声源的声强， 比较判断步骤，用于对所述声源声强参数与设定阈值A进行比较，若-野+fe -对+- W]/3 < ^ 则判断该点为粮虫； 选择步骤，用于根据判断结果，选择输出、结束或返回所述定位步骤。 本发明的技术效果在于本发明针对粮虫探测方法，提出了一种基于传感器阵列、
数据无线传输、数字音频信号处理、互相关技术及空间定位技术的测量方法与装置，为解决
粮虫探测的精度问题提供了一条有效的途径，测量装置结构简单、操作方便。其中，两级隔
音室提高了系统对环境干扰的抵抗力；无线传输模式使得实现隔音更方便，也更容易满足
粮库的多点探测需要；传感器阵列配合互相关技术与空间定位技术有效地提高了识别精
度。这些为解决粮虫探测的精度问题提供了一条有效的途径，测量装置结构简单、无线传输
使得操作更为方便，实现了粮虫密度的准确、自动以及高效探测。 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。


图1为本发明的粮虫探测装置结构框图； 图2为本发明的粮虫探测装置一实施例隔音室的结构示意图；
图3为图2的左视图； 图4为本发明一实施例的样品容器俯视图；
图5为图4所示实施例的活动插板结构示意图；
图6为本发明一最佳实施例的粮虫探测装置结构框图
图7为本发明一最佳实施例的粮虫探测方法流程图；:0088] 图8为本发明的信号运算流程图。
:0089] 其中，附图标记
:0090] 1声音信号采集模块
:O091] 11隔音室
:0092] 111内隔音层
:0093] 112外隔音层
:0094] 113内部隔音区
:0095] 12样品容器
:0096] 13音频传感器阵列
:0097] 131活动插板
:0098] 132音频探测头
:0099] 133传感器安置孔
:0100] 2信号传输模块
:oioi] 2l信号放大器
:0102] 22A/D转换器
:0103] 23信号输出端口
:0104] 3粮虫定位模块
:0105] 31信号接收及存储单元
:0106] 32信号处理单元
:0107] 33信号运算单元
:0108] 331定位次单元
:0109] 3311确定相对延时时间子单元
:0110] 3312确定空间位置子单元
:0111] 332验证次单元
:0112] 3321声源声强计算子单元
:0113] 3322比较判断子单元
:0114] 3323选择子单元
:01巧]4统计输出模块
:0116] Sl S4、S31 S33、S331、 S332、 S3311、 S3312、 S3321 S3323、S11 S13步骤
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述 本发明针对粮虫探测装置及方法，提出了一种基于传感器阵列、数据无线传输、数 字音频信号处理、互相关技术及空间定位技术的测量方法与装置，为解决粮虫探测的精度 问题提供了一条有效的途径，测量装置结构简单、操作方便。 参见图1，图1为本发明的粮虫探测装置结构框图。本发明是一种利用音频探测 技术进行粮虫检测的粮虫探测装置，包括声音信号采集模块l，用于采集并放大被测粮食 样品内的粮虫取食、运动等活动时的声音；信号传输模块2，与所述声音信号采集模块1连 接，用于接收所述活动声音并将所述活动声音转换为音频数字信号输出；粮虫定位模块3，与所述信号传输模块2连接，用于接收、存储所述信号传输模块输出的音频数字信号，处理 所述音频数字信号得到所述粮虫的音频特征参数，并用互相关函数定位计算得到所述粮虫 的空间位置；统计输出模块4，与所述粮虫定位模块3连接，用于根据所述粮虫空间位置统 计并输出所述被测粮食样品内粮虫的数量。所述互相关函数定位计算即利用互相关函数及 空间定位技术根据处理后的音频特征参数计算出粮虫的空间位置。 参见图2及图3，图2为本发明的粮虫探测装置一实施例隔音室的结构示意图，图 3为图2的左视图。所述声音信号采集模块1包括隔音室ll，用于降低环境噪声的干扰， 提高信噪比；样品容器12，设置在所述隔音室11内，用于容置所述被测粮食样品；音频传感 器阵列13，设置在所述样品容器12内，用于从多方位对所述粮虫的活动状况进行探测。其 中，所述音频传感器阵列13包括活动插板131及多个音频探测头132，所述活动插板131上 设置有多个传感器安置孔133，所述音频探测头132分别安装在所述传感器安置孔133内。
参见图4及图5，图4为本发明一实施例的样品容器俯视图，图5为图4所示实施 例的活动插板结构示意图。在图4中，待测的粮食样品填充于样品容器12中，音频探测头 132嵌入活动插板131上的传感器安置孔133后，插入样品容器12内并固定，将信号传输模 块2置于电路模块放置区121中。 再参见图1 ，所述信号传输模块2包括顺次连接的信号放大器21 、A/D转换器22及 信号输出端口 23，所述信号输出端口 23可以为电缆线输出，也可以为无线发射器，本实施 例中优选无线发射器，以方便样品容器12的取出和放入，当该信号输出端口 23选用无线发 射器时，所述信号接收及存储单元3对应设置有无线接收器，以完成音频信号的传输。
所述粮虫定位模块3包括信号接收及存储单元31，用于接收并存储所述信号传 输模块输出的音频数字信号；信号处理单元32，用于将所述音频数字信号处理为幅度、均 值、方差、频率等音频特征参数；信号运算单元33，用于根据所述音频特征参数计算所述被 测粮食样品中的粮虫空间位置。 其中，所述信号运算单元33包括定位次单元331，用于计算确定所述粮虫的空间 位置，该定位次单元331包括确定相对延时时间子单元3311，用于根据所述音频特征参数 计算得到所述音频数字信号到达任意两音频探测头132的相对延时时间；确定空间位置子 单元3312，用于根据所述相对延时时间计算并得到所述粮虫的空间位置坐标。
参见图6，图6为本发明一最佳实施例的粮虫探测装置结构框图。为了提高检测的 准确性，本发明还可以增加一验证次单元332，用于验证所述粮虫的位置，验证次单元332 又包括声源声强计算子单元3321，用于根据所述相对延时时间及所述粮虫的空间坐标计 算并得到声源声强参数；比较判断子单元3322，用于对所述声源声强参数与设定阈值进行 比较，并根据比较结果做出是否粮虫的判断结果；选择子单元3323，用于根据判断结果，选 择输出、结束或返回所述定位次单元331。 在图2及图3中，图4所示的样品容器12置于由隔音材料构成的内部隔音区113 中。隔音区由外到里分别使用PS-4A阻力板作为外隔音层112，和ABN-9T吸音板材料作为 内隔音层lll，制作了一个双层的隔音室11，以降低环境噪声的影响。音频探测头132由圆 形铝合金外圈和圆形压电片组成。铝合金外壳外径2. 4cm、内径2cm、高lcm，空心，内径边沿 有倒角，用于固定压电片，倒角直径2.2cm，深0.2mm。压电片直径为2. lcm、厚0. lmm，嵌在 铝合金外圈的两个表面内，并用密封胶密封。铝合金外圈上留有一个5mm的孔用于压电片
10信号引线。本实施例的音频传感器阵列13优选用12个音频探测头132组成，12个音频探 测头132分别嵌入两块活动插板131内，组成音频传感器阵列13。 检测时，取约2Kg的粮食样品，将其倒入样品容器12中，将12路音频探测头132 的信号线分别接入各自的信号传输模块2的相应输入端，并将该信号传输模块2置于活动 插板131与样品容器12的外壳形成的空间即电路模块放置区121里。信号传输模块2的 信号放大器21采用的是3414A音频放大芯片，A/D转换器选用单片机，信号放大器21的输 出接入单片机MSP430F169的12位的A/D输入端，单片机通过信号输出端口 23，本实施例 中为SPI接口与无线通信芯片nRF24L01进行通信，将音频信号传递出去。而无线接收与网 口通讯模块则由nRF24L01、 MSP430F169和网口芯片CS8900构成，单片机通过SPI接口由 nRF24L01接收到无线音频信号，通过CS8900与粮虫定位模块3建立网口通信，最终将数据 传递给粮虫定位模块3，本实施例优选计算机进行音频信号的储存与处理。
计算机放在隔音室11外部的便携式推车14上，可流动作业。将无线接收板与计 算机的网口通过网线连接好后，启动信号传输模块2，以及计算机的无线接收与网口通讯模 块，将内嵌隔音材料的样品容器12的顶盖盖严，最后运行计算机的信号采集软件。静置10 分钟，待粮虫适应新环境后，开始连续采集音频数据，同时对数据进行实时的处理与结果显 示。测量结束后，通过图2中的手柄15将内隔音层111及其内部放置的样品容器12取出， 将样品清理完毕后，即可进行下一次的测量。 本实施例使用无线传输的模式，可以满足粮食收购与粮库的便利需要；利用传感 器阵列，可以对粮虫进行定位判别，提高识别精度。 本发明的粮虫探测装置使用两种隔音材料制作的双层隔音室，能有效的隔离环境 噪声的干扰，提高仪器的信噪比，满足在吵杂的现场环境下的应用需要。由压电片制作的音 频探测头音频探测头组成的传感器阵列，从多个方位对粮虫的活动状况进行探测，由信号 放大——采集电路得到所述的各路音频信号。将所述的音频信号通过无线发射电路以无线 的方式由密封的隔音室内传输至隔音室外，由无线接收电路接收，并通过以太网口电路接 口传输至计算机。计算机对所述的多路音频信号进行互相关处理，得到相对延时时间；对所 述的多通道音频信号通过时域与频域的分析，得到粮虫音频信号的幅度、均值、方差、频率 等性质。根据所述的相对延时时间、所述的音频信号的幅度，实现对粮虫的数量的识别。
本发明还提供了一种利用音频探测技术进行粮虫检测的粮虫探测方法，对采集到 的音频数据，先通过数据平滑、小波变换等处理手段进行前处理，进一步削弱环境和仪器噪 声等各种因素的影响，提高信噪比。然后通过设定的阈值来识别是否是有效的粮虫信号，再 有针对性的进行音频特征参数的提取。粮虫的音频特征参数可以通过时域与频域的分析处 理得到。通过时域的分析，可以得到粮虫音频信号的幅度、均值、方差等几何性质。由于同 一个声源距离各个传感器的距离差异，使得该声源到达各个传感器的时间和幅度会不同， 通过计算机软件的图形显示功能对时域波形图进行显示，并计算出音频脉冲的持续时间、 脉冲间隔、脉冲率、脉冲组、脉冲组持续时间、脉冲组间隔、脉冲组率、脉冲序列持续时间等 时域参数，尤其是波形图中的波峰、波谷和包络的位置。然后结合互相关技术得到同一个声 源到达各个音频探测头音频探测头的相对延时时间，并结合相应的幅度差异来推算出该声 源在传感器阵列空间中的相对位置。经过一段时间的连续采集与分析，我们就可以得到被 测样品中粮虫的空间分布图，也就得到了较为精确的粮虫数量。
参见图7，图7为本发明一最佳实施例的粮虫探测方法流程图。本发明的粮虫探 测方法包括如下步骤声音信号采集步骤Sl，用于采集并放大被测粮食样品内粮虫的活动 声音；信号传输步骤S2，用于接收所述活动声音并将所述活动声音转换为音频数字信号输 出；粮虫定位步骤S3，用于接收、存储所述音频数字信号，处理所述音频数字信号得到所述 粮虫的音频特征参数，并用互相关函数定位计算得到所述粮虫的空间位置；统计输出步骤 S4，根据所述粮虫的空间位置统计并输出所述粮虫的数量。 所述声音信号采集步骤S1包括步骤S11，设置一隔音室，用于降低环境噪声的干 扰，提高信噪比；步骤S12，在所述隔音室内设置一样品容器，用于容置所述被测粮食样品； 步骤S13，在所述样品容器12内设置音频传感器阵列，用于从多方位对所述粮虫的活动状 况进行探测。该步骤通过在样品容器外围使用双层或多层隔音技术，以降低环境噪声的干 扰，提高信噪比。并采用了音频传感器阵列，可以同时对多通道的音频数字信号进行采集， 得到粮虫的语音信号。然后，通过无线传输的方式，将所述的多通道音频数字信号实时传输 至隔音室外的计算机，并对所述音频数字信号进行互相关处理，得到信号到达各传感器的 相对延时时间。 信号传输步骤S2，用于接收所述活动声音并将所述活动声音转换为音频数字信号 输出到粮虫定位步骤S3，包括设置并顺次连接一信号放大器21、一 A/D转换器22及一信号 输出端口 23，所述信号输出端口 23可以为电缆线输出，也可以为无线发射器，本实施例中 优选无线发射器，以方便样品容器12的取出和放入，当该信号输出端口 23选用无线发射器 时，所述信号接收及存储步骤S3对应设置有无线接收器，以完成音频数字信号的传输。
所述粮虫定位步骤S3包括信号接收及存储步骤S31，用于接收并存储所述信号 传输模块输出的音频数字信号；信号处理步骤S32，用于将所述音频数字信号处理为幅度、 均值、方差、频率等音频特征参数；信号运算步骤S33，用于根据所述音频特征参数计算所 述被测粮食样品中的粮虫空间位置。 所述信号运算步骤S33包括定位步骤S331，用于计算确定所述粮虫的位置，定位 步骤S331包括确定相对延时时间步骤S3311，用于对所述音频特征参数进行互相关函数 计算得到所述音频数字信号到达所述声音信号采集步骤的任意两音频探测头132的相对 延时时间t，采用波形相关性来测量相对延时时间t，由两个传感器信号的互相关函数取得 最大值时的k值与采样时间计算延时时间
t = kTs Aw (A) = ; Z & (/ + " 式中，k = 1，2， ......， N， i为所述音频探测头的序号， N，用于互相关计算的所述音频探测头的点数， t，所述相对延时时间， S^所述1号采集点获得的音频数字信号幅值， S2，所述2号采集点获得的音频数字信号幅值， A,s2 ，互相关处理后得到的互相关函数， kTs，为互相关函数取最大值时对应的时间，
Ts，声音信号采集模块A/D转换采样间隔时间； 确定空间位置步骤S3312，用于根据所述相对延时时间及空间定位公式计算并得 到所述粮虫的空间位置坐标(X， Y， Z)，所述空间定位公式如下
& = [(X-Xi)2+(Y-Yi)2+(Z-Zi)2]"2..................1 粮虫到第i个音频探测头和到i+1个音频探测头的相对延时时间t对应的距离 为 t*c = ti*c—ti+1*c = Ri—Ri+1 = [ (X—X》2+ (Y—Y》2+ (Z—Z》2] 1/2— [ (X—Xi+1) 2+ (Y—Yi+1) 2+ (Z_Zi+1)2]1/2..................2 Xi， Yi， Zi， Xi+1， Yi+1， Zi+1已知，测得三个所述音频探测头相互之间的相对延时时间 t，代入所述公式2，联立三个方程计算得到所述粮虫的空间坐标，
其中， i为所述音频探测头的序号， &为粮虫到所述第i个音频探测头的距离， c为声速， Xi， Yi， Zi，第i个音频探测头的空间坐标，
Xi+1， Yi+1， Z卬第i+1个音频探测头的空间坐标。 为了提高检测的准确性，本发明还可以增加一验证步骤S332，用于验证所述粮虫
的位置，验证步骤S332包括声源声强计算步骤S3321，用于根据所述相对延时时间及所述
粮虫的空间位置坐标计算并得到声源声强参数戸。 令F。 = (F。i+F。j+F。k)/3，声源声强按如下公式计算 F0 = F*R2/a a是比例系数，由试验确定(由于探测器的制作具有不一致性，该值可根据具体 探测器的特性通过试验标定得到)，
F。为声源的声强，
F为探测到的声强， R为粮虫到所述音频探测头的声音传输距离， i， j， k，为所述音频探测头的序号， FM， F。j， F。k，分别为对应所述音频探测头声源的声强； 比较判断步骤S3322，用于对所述声源声强参数与设定阈值A进行比较，若
批-"+—k, -对+ fc -"]/3 d
则判断该点为粮虫； 选择步骤S3323，用于根据判断结果，选择输出、结束或返回所述定位步骤，当该值 〈A时，判断该点为粮虫，输出该判断结果；当该值^A时，再判断用于计算的数据是否为采 集自最后一组音频探测头，如果是，则选择结束；如果否，则返回所述定位步骤S331 。
参见图8，图8为本发明的信号运算流程图。对所述的多通道音频数字信号通过时 域与频域的分析，可以得到粮虫音频数字信号的幅度、均值、方差、频率等性质。并计算出音 频波峰、波谷和包络线。 根据所述的各音频探测头音频数字信号的幅度、均值、方差、频率等信息，以如下 公式得到所述相对延时时间
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t = kTs + 式中，k = 1，2， ......， N ; N，用于互相关计算的音频探测头的点数；
t，延时时间； S15 1号音频探测头获得的音频数字信号幅值；
S2， 2号音频探测头阵列获得的音频数字信号幅值；
AlS2 ，互相关处理后得到的互相关函数；
ki;，为互相关函数取最大值时对应的时间；
L，采样时间。 由^SA取得最大值时测得1和2号音频探测头之间的相对延时时间t = kTs，同理 依次可测得N个音频探测头相互之间的延时时间。 设粮虫的空间点P的坐标为(X，Y，Z)，音频探测头Bi的坐标为(Xi，Yi，Zi)，其中i 为音频探测头的序号。则粮虫到第i个音频探测头的距离&为
& = [ (X-Xi) 2+ (Y-Yi) 2+ (Z-Zi)2]1/2 设声速为c，则粮虫到第i个音频探测头和到到i+1个音频探测头的相对延时时间 t对应的距离为 t*c = ti*C-ti+1*C = R「Ri+1 = [ (X-Xi) 2+ (Y-Y》2+ (Z_Z》2] 1/2_ [ (X_Xi+1) 2+ (Y_Yi+1) 2+ (Z_Zi+1)2]1/2 由于Bi(Xi，Yi，Z》，PBi+1(Xi+1，Yi+1，Zi+1)点的坐标已知，t为相对延时时间可测出， 所以上述方程中只有P的坐标(X， Y， Z) 3个未知数，故只需3个音频探测头相互之间的相对 延时时间测得，联解这3个方程，即可计算出P的坐标(X， Y， Z)，该点就是粮虫的可能位置 点。 在确定相对延时时间步骤S3311中获得互相关函数取最大值时对应的时间t时
亥!J，由P的坐标(X， Y， Z)到i、 j和k号3个音频探测头的距离RPi、 RPj、 RPk与i、 j和k号3
个音频探测头的探测到音频数字信号的声强FPi、 FPj、 FPk计算声源声强按如下公式 F0 = F*R2/a a是比例系数，由试验确定； F。声源的声强； F探测到的声强； R声音传输距离。 由此可得FM、 F。j、 F。k，令戸。=(F。i+F。j+F。k) /3，则若
批—"+ (4 一 " + fc — "]/3 d A为设定阈值，由试验确定，根据具体情况可以取1 2cm，则可确定P的坐标(X， Y，Z)即为粮虫的位置点。重新选择下一组音频探测头，判断是否为最后一组音频探测头，如 果是，则选择结束，如果不是，再利用定位步骤S331的时间差测传输距离的方法预估计目 标，用声源声强计算步骤S3321的方法确定目标的准确性，如此反复至所有音频探测头132
14的信号都经过计算，完成多目标的定位。 上述步骤还可以用下述方法进行粮虫的验证定位，即获得互相关函数取最大值时 对应的时间t时，由i号音频探测头到i+1号音频探测头的传感器音频信号的幅度差F12作 双曲面，若3个音频探测头每2个点之间所作的3条双曲面相交于一点，则该点就是确定的 粮虫位置。当存在多个粮虫发声时，先利用幅度差的方法预估计目标并锁定，再用时间差的 方法确定准确的目标位置。至此完成了多目标的定位，由此进行计数，探测标准容积中粮虫 的数量。 由于粮虫种类繁多，而且在不同的生长期和不同的活动中，发出声音的强度和频 率特征都有差异，因此若要进行准确的种类识别，需要先建立粮虫的专家知识库，并需要不 断的丰富和完善，这是粮虫种类与数量的识别依据。 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种粮虫探测装置，其特征在于，包括声音信号采集模块，用于采集并放大被测粮食样品内粮虫的活动声音；信号传输模块，与所述声音信号采集模块连接，用于接收所述活动声音并将所述活动声音转换为音频数字信号输出；粮虫定位模块，与所述信号传输模块连接，用于接收、存储所述音频数字信号，处理所述音频数字信号得到所述粮虫的音频特征参数，并用互相关函数定位计算得到所述粮虫空间位置；统计输出模块，与所述粮虫定位模块连接，用于根据所述粮虫空间位置统计并输出所述粮虫的数量。
2. 如权利要求1所述的粮虫探测装置，其特征在于，所述声音信号采集模块包括 隔音室，用于降低环境噪声的干扰，提高信噪比； 样品容器，设置在所述隔音室内，用于容置所述被测粮食样品；音频传感器阵列，设置在所述样品容器内，用于从多方位对所述粮虫的活动声音进行 探测。
3. 如权利要求2所述的粮虫探测装置，其特征在于，所述音频传感器阵列包括活动插 板及多个音频探测头，所述活动插板上设置有多个传感器安置孔，所述音频探测头分别安 装在所述传感器安置孔内。
4. 如权利要求1所述的粮虫探测装置，其特征在于，所述粮虫定位模块包括 信号接收及存储单元，用于接收并存储所述信号传输模块输出的音频数字信号； 信号处理单元，用于将所述音频数字信号处理为音频特征参数，所述音频特征参数包括幅度、均值、方差、频率；信号运算单元，用于根据所述音频特征参数计算所述被测粮食样品中的粮虫位置。
5. 如权利要求4所述的粮虫探测装置，其特征在于，所述信号运算单元包括定位次单 元，用于计算确定所述粮虫的位置，所述定位次单元包括确定相对延时时间子单元，用于对所述音频特征参数进行互相关函数计算得到所述音 频数字信号到达所述声音信号采集模块的任意两采集点的相对延时时间；确定空间位置子单元，用于根据所述相对延时时间及空间定位公式计算并得到所述粮 虫的空间位置坐标。
6. 如权利要求4所述的粮虫探测装置，其特征在于，所述信号运算单元还包括验证次 单元，用于验证所述粮虫的位置，所述验证次单元包括声源声强计算子单元，用于根据所述相对延时时间及所述粮虫的空间位置坐标计算并 得到声源声强参数；比较判断子单元，用于对所述声源声强参数与设定阈值进行比较，并根据比较结果做 出是否粮虫的判断；选择子单元，用于根据判断结果，选择输出、结束或返回所述定位次单元。
7. 如权利要求1所述的粮虫探测装置，其特征在于，所述信号传输模块包括顺次连接 的信号放大器、A/D转换模块及信号输出端口 ，所述信号输出端口为无线发射器，所述信号 接收及存储单元对应设置有无线接收器。
8. —种粮虫探测方法，其特征在于，包括如下步骤声音信号采集步骤，用于采集并放大被测粮食样品内粮虫的活动声音； 信号传输步骤，用于接收所述活动声音并将所述活动声音转换为音频数字信号输出； 粮虫定位步骤，用于接收、存储所述音频数字信号，处理所述音频数字信号得到所述粮 虫的音频特征参数，并用互相关函数定位计算得到所述粮虫的空间位置； 统计输出步骤，根据所述粮虫的空间位置统计并输出所述粮虫的数量。
9. 如权利要求8所述的粮虫探测方法，其特征在于，所述声音信号采集步骤包括 设置一隔音室，用于降低环境噪声的干扰，提高信噪比； 在所述隔音室内设置一样品容器，用于容置所述被测粮食样品；在所述样品容器内设置音频传感器阵列，用于从多方位对所述粮虫的活动声音进行探
10. 如权利要求8所述的粮虫探测方法，其特征在于，所述粮虫定位步骤包括 信号接收及存储步骤，用于接收并存储所述信号传输模块输出的音频数字信号； 信号处理步骤，用于将所述音频数字信号处理为音频特征参数，所述音频特征参数包括幅度、均值、方差、频率；信号运算步骤，用于根据所述音频特征参数计算所述被测粮食样品中的粮虫空间位置。
11. 如权利要求io所述的粮虫探测方法，其特征在于，所述信号运算步骤包括定位步骤，用于计算确定所述粮虫的空间位置，所述定位步骤包括确定相对延时时间步骤，用于对所述音频特征参数进行互相关函数计算得到所述音频 数字信号到达所述声音信号采集步骤的任意两采集点的相对延时时间t :<formula>formula see original document page 2</formula>式中，k = 1，2， ......， N，i为所述音频探测头的序号，N，用于互相关计算的所述音频探测头的点数，t，所述相对延时时间，S"所述1号采集点获得的音频数字信号幅值， &，所述2号采集点获得的音频数字信号幅值，，互相关处理后得到的互相关函数， kTs，为互相关函数取最大值时对应的时间， L，采样时间；确定空间位置步骤，用于根据所述相对延时时间及空间定位公式计算并得到所述粮虫 的空间位置坐标(X， Y， Z)，所述空间定位公式如下 Ri = [(X-Xi)2+(Y-Yi)2+(Z-Zi)2]"2..................1粮虫到第i个音频探测头和到i+l个音频探测头的相对延时时间t对应的距离为 t*c = ti*C-ti+1*C = R「Ri+1 = [(X-Xi)2+(Y-Yi)2+(Z-Zi)2]"2-[(X-Xw)2+(Y-Yw)2+(Z-Z i+1)T/22Xi， Yi， Zi， Xi+1， Yi+1， Zi+1已知，测得三个所述音频探测头相互之间的相对延时时间t，代入所述公式2，联立三个方程计算得到所述粮虫的空间位置坐标， 其中，i为所述音频探测头的序号，Ri为粮虫到所述第i个音频探测头的距离，c为声速，Xi， Yi， Zi，为第i个音频探测头的空间坐标，Xi+1， Yi+1， Zw，为第i+1个音频探测头的空间坐标。
12.如权利要求IO所述的粮虫探测方法，其特征在于，所述信号运算步骤还包括验证 步骤，用于验证所述粮虫的空间位置，所述验证步骤包括声源声强计算步骤，用于根据所述相对延时时间及所述粮虫的空间位置坐标计算并得 到声源声强参数&:令戸。=(F。i+F。j+F。k)/3，声源声强按如下公式计算<formula>formula see original document page 2</formula>a为比例系数，由试验确定， F。为声源的声强， F为探测到的声强，R为粮虫到所述音频探测头的声音传输距离，I， j， k，为所述音频探测头的序号，FQi， F。j， F。k，分别为对应所述音频探测头声源的声强，比较判断步骤，用于对所述声源声强参数与设定阈值A进行比较，<formula>formula see original document page 4</formula>判断该点为粮虫；选择步骤，用于根据判断结果，选择输出、结束或返回所述定位步骤。
全文摘要
一种粮虫探测装置及方法，利用音频探测技术进行粮虫检测，该装置包括声音信号采集模块，用于采集并放大被测粮食样品内粮虫的活动声音；信号传输模块，与该声音信号采集模块连接，用于接收该活动声音并将该活动声音转换为音频数字信号输出；粮虫定位模块，与该信号传输模块连接，用于接收、存储该音频数字信号，处理该音频数字信号得到该粮虫的音频特征参数，用互相关函数定位计算得到该粮虫空间位置；统计输出模块，与该粮虫定位模块连接，根据该粮虫位置统计并输出该粮虫的数量。本发明为解决粮虫探测的精度问题提供了一条有效的途径，测量装置结构简单、无线传输使得操作更为方便，实现了粮虫密度的准确、自动以及高效探测。
文档编号G01H17/00GK101788689SQ20101003423
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者张小超, 张银桥, 胡小安, 赵博 申请人:中国农业机械化科学研究院