具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图4所示，本实施例公开了一种针对基于探测的水下自主航行器动态数据收集方法，该方法可由设置在水下自主航行器的控制器来执行，步骤如下：

S1、阵列信号接收。

圆形阵列接收到M-1个入射信号源，前K个入射信号表示真实信号源，后一个M-1-K个入射信号表示噪声产生的虚拟信号源，阵列接收信号可以表示为：

其中，a_k为阵列方向向量，s_k(t)表示接收信号，n(t)是噪声；在本实施例中，采用阵元数为16的圆形阵列对水声信标进行探测，即M＝16。

其中，圆形阵列设置在水下自主航行器上，圆形阵列由M个阵元组成。圆形阵列对水声信标进行探测，并根据探测结果对运动方向进行实时地调整。

真实信号源由水下传感器节点发出，传感器节点持续感知并将感知数据保存在数据缓存区，当缓存达到B字节时周期性地广播水声信标；否则，传感器收发机将保持静音，以节省能量。在本实施例中，如图1所示，网络中有m个水下传感器节点。其中有n个传感器节点已经将数据传输给水下自主航行器，这n个传感器节点会清空数据缓存区，开始新一轮的感知，并保持收发机将静音，以节省能量。其余m-n个传感器节点数据缓存达到B字节并周期性地广播水声信标。

S2、节点方向估计。

使用MUSIC算法对接收信号进行计算与分析，估计出M-1个信号源(包括真实信号源和虚拟信号源)的方位角；在本实施例中，采用MUSIC算法对信号方向进行估计，MUSIC功率谱可以被表示为：

其中，A是圆形阵列的阵列流形矩阵，U_N表示噪声子空间。根据得到的MUSIC空间谱，选出最大的M-1峰即可估计出M-1个信号的方向

S3、节点存在估计和探测概率计算。

使用功率假设检验来区分估计S2中的M-1个信号源是来自节点还是虚拟信号，功率假设可以被表示为：

其中，σ²为噪声方差，p_k为接收信号功率；经过计算，当做出H₁判决时，该方向信号来自节点；当做出H₀判决时，该方向为虚拟信号。并且该方向的探测概率可以表示为：

其中，T(s_k)为检验统计量，γ′₀为判决门限，是符合卡方分布的随机变量的右尾分布；将探测到的节点放入探测节点集合中；在本实施例中，使用似然比假设检验对信号进行判决，过程如下：在H₀(k)中，接收信号服从s_k～N(0,σ²)；在H₁(k)中，接收信号服从s_k～N(0,(M-1)p_k+σ²)；似然比假设检验判决如下：

其中，N是快排数，为预测入射信号，γ′₀为判决门限；当做出H₁判决时，该方向信号来自节点；当做出H₀判决时，该方向为虚拟信号；最终将探测到的g个节点放入探测节点集合中。

S4、对探测到的传感器节点进行分组。

利用S3中探测到的节点方位，将水下自主航行器能在同一航行轨迹中收集到节点数据的节点分为一组，记为G_j，并计算出用于收集这组数据的巡航方向；

S41、分组规则：

对于探测节点集合中两个角度估计为和的节点，如果它们的角度满足

则将它们分为一组G_j；若多个节点之间相互都满足这一条件的也都分为一组；在本实施例中，如图2(a)和图2(b)所示，水下自主航行器可以在同一个巡航轨迹中收集到节点A和B的数据，可以将A、B节点分为一组，即：

分组计算规则如图2(c)所示，假设在检测区域的边缘有两个点A`和B`它们有共同的通信区域则将这两个节点分为一组，即：

其中，C表示传感器节点的最大通信距离，D表示水下自主航行器的最大探测距离。

S42、计算巡航方向：

对于任意分组G_j，用于收集这组数据的巡航方向为

在本实施例中，如图2所示，用于收集这组数据的巡航方向为：

S5、水下自主巡航器选择下一步将要访问的分组。

水下自主巡航器在S4产生的多个分组中选择具有最大数据收集效率的一个分组(记为)作为下一步将要访问的分组，即，该分组满足以下条件，

其中，B为数据包大小，为节点探测概率，表示水下自主航行器的能量损耗，表示本次分组结果的集合在本实施例中，如图3所示，水下自主航行器需要根据风险-收益模型在3个分组中选择出满足具有最大数据收集效率的进行访问。

步骤S5中，将选择可以获得最大数据收集效率组的问题转换为一个风险-收益的最优化问题，将同时考虑预期收集到的数据及其错误风险，水下自主航行器的能量损耗，以及其他组节点数据丢失的风险。

S6、探测盲区逃离。

在探测不到节点的情况下，无法通过S5来确定下一步的巡航方向，水下自主航行器进入探测盲区；此时水下自主航行器采用随机游走的方法运动，直到逃离探测盲区；在本实施例中，若在动态巡航过程中进入一个探测不到任何节点的区域时，水下自主航行器将以随机的方式选择一个方向并沿此方向巡航一定距离，在巡航过程中若探测到节点，则立刻进入S4步骤；若沿此方向巡航一定距离没有探测到节点，水下自主航行器将再次进入S6步骤重新选择一个随机方向进行下一次巡航。

步骤S6中考虑了水下自主航行器在动态巡航过程中可能会进入探测盲区的情况，在此区域内水下自主航行器探测不到任何节点。在这种情况下，水下自主航行器以随机的方式选择一个方向并沿此方向巡航一定距离，在巡航过程中若探测到节点，则立刻进入S4步骤；若沿此方向巡航一定距离没有探测到节点，水下自主航行器将再次进入S6步骤重新选择一个随机方向进行下一次巡航。

S7、水下自主航行器沿着S5或S6确定的方向边航行边收集周围节点数据，当收集到该分组应收集到的数据量后，停止巡航并回到S1重新开启探测，探测节点集合也随之清零重置，如此循环直到水下自主航行器能量低至一定阈值或所有节点数据都已被收集后返回水面；在本实施例中，若中有a个节点，水下自主航行器沿着方向巡航，当收集到a个节点的数据后，水下自主航行器停止巡航并回到S1重新开启探测，探测节点集合也随之清零重置。

综上所述，本实施例方法相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)本实施例针对基于探测的水下自主航行器动态数据收集方法，采用圆形阵列对节点的方向进行探测，使水下自主航行器能够在节点未知位置情况下收集数据。

(2)本实施例针对基于探测的水下自主航行器动态数据收集方法，采用对探测到的节点进行分组的方法减少水下自主航行器在收集数据过程中的巡航能耗。

(3)本实施例针对基于探测的水下自主航行器动态数据收集方法，采用风险-收益模型，考虑到探测的风险和水下自主航行器巡航能耗等因素，选择具有最大数据收集效率的一个分组进行收集，有效的提高了水下自主航行器的收集效率。

(4)本实施例针对基于探测的水下自主航行器动态数据收集方法，采用随机游走的方法，逃离探测盲区，避免水下自主航行器在探测不到节点时无法决策如何进行下一步。

本实施例还提供一种水下传感器数据收集系统，包括：

节点探测模块，用于获取M-1个水声信号，所述水声信号通过设置在水下自主航行器的圆形阵列获得，所述圆形阵列由M个阵元组成，所述水声信号为噪声信号或由传感器节点发出的水声信标；

信号选择模块，用于根据水声信号的功率从M-1个水声信号中获取K个水声信标，以及计算水声信标对应的传感器节点的探测概率；

节点分组模块，用于获取水声信标对应的方位角，根据方位角对K个水声信标对应的传感器节点进行分组，将水下自主航行器能在同一航行轨迹中收集到节点数据的传感器节点分为一组，并获取每一组对应的巡航方向；

数据采集模块，用于根据探测概率计算每一组的数据收集效率，根据最大数据收集效率对应的一组的巡航方向控制水下自主航行器移动并采集传感器数据。

本实施例的一种水下传感器数据收集系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种水下传感器数据收集方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供一种水下传感器数据收集装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如图4所示的方法。

本实施例的一种水下传感器数据收集装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种水下传感器数据收集方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图4所示的方法。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种针对基于探测的水下自主航行器动态数据收集方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。