运动目标的声学跟踪方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种运动目标的声学跟踪方法，其步骤包括：利用声传感器阵列同步接收运动目标发出的声音信号，按同样的时间间隔且时间同步地对所有信号均匀分段；在每一段时间间隔内，对其他路信号与基准信号的TDOA和SDOA值进行估计；建立目标运动方程和传感器观测方程；对于初始时刻运动参数，我们通过先验值获得或采用极大似然估计方法依次对目标坐标和速度矢量进行估计得到，对于后续时刻运动参数的估计，我们根据目标运动方程和传感器观测方程，采用贝叶斯递推估计算法来实现。本发明专利技术还公开了一种运动目标声学跟踪装置，包括传声器阵列、数据采集模块、数据处理模块。

【技术实现步骤摘要】
运动目标的声学跟踪方法及装置
本专利技术属于无线测量和声学领域，涉及声学测量技术和声探测技术，尤其涉及一种利用运动目标发生的声音来对目标进行定位跟踪的方法。
技术介绍
目前，对于运动目标的定位和跟踪，主要采用其发射或反射的电磁波信号即通过雷达来完成。随着现代电子技术以及各种新型光电集成元器件的使用，雷达技术在目标定位和跟踪方面得到了广泛应用。然而，随着各种反雷达技术的快速发展，对雷达的“威胁”也日益增加。例如，目前日益成熟的电子侦查和电子干扰技术，各种超低空飞行的飞机和导弹，使雷达散射面积成百上千倍减少的隐身飞行器，快速反应的高速反辐射导弹，在对雷达技术应用范围构成限制的同时，也对雷达技术本身提出了越来越高的要求。近年来，随着新探测技术的发展，基于声信号的探测和定位技术作为解决雷达技术缺陷的备选方案之一，得到了广泛关注。声探测技术是利用声学与电子装置接收目标发出的声波以确定目标位置和类型的一种技术。声探测技术与其他电子、雷达探测技术相比，具有以下优势：(1)声探测技术完全采用被动式工作原理，不易被敌方电子侦察设备发现和摧毁，隐蔽性强；(2)声探测技术不易受到电磁波的影响，可以在复杂电磁环境下工作，具有抗电磁干扰能力；(3)声探测技术对低空、地面、海面目标也有效，而这三类目标是雷达探测的盲区。基于声探测技术的以上优点，本专利技术对利用声信号跟踪运动目标的问题进行了研究，提出了一种运动目标的声学跟踪方法及装置。低空运动目标、地面及海面运动目标是雷达探测的盲区，同时这些运动目标所发出的声音也在我们声音传感器(简称声传感器)即传声器的接收范围之内，因此我们这里主要对这三类运动目标进行定位跟踪。本专利技术通过估计目标运动参数完成对目标的跟踪，某时刻的目标运动参数是指该时刻的目标位置坐标以及速度矢量和加速度，目标运动轨迹是通过各个离散时刻的目标运动参数通过一定的数据处理例如航迹平滑得到的。根据目标的具体运动特征，可以灵活选择运动参数。对于运动目标来说，当其运动速度大于声速时，其目标声音传播慢于实际目标，此时将产生激波现象，导致声源点与目标不再位于同一点上。我们这里限定目标的运动速度小于声速，即对低于声速的运动目标进行跟踪。
技术实现思路
为了提高隐蔽性，这里采用被动跟踪体制，即只通过接收运动目标发出的声音来完成定位及跟踪，我们所用的声学设备只是接收目标的声音，而本身不发出声音。传声器是一种将声信号转换为电信号的换能器件，按其接收声波的方向性，我们可分为无指向性传声器和有方向性传声器两种。我们这里采用N(N≥3)个无指向性传声器来跟踪运动目标。运动目标发出的声音主要来自于其发动机的振动噪音或运动过程中其外表面与空气摩擦发出的声音，具有不规则的信号形式，我们在对其进行跟踪和定位以前难以获知其声信号形式。在自由空间中，声音的传播是无方向性的，同时其信号功率随着距离而衰减，因此声音的接收范围是有距离限制的。由于声音接收范围的限制，我们所跟踪的目标主要是低空运动目标或地面运动目标，其发生的声音传播服从低空声场特性。基于声音传播的低空声场特性，我们对声音传播做出如下假设：(1)声音传播距离远大于目标即声源尺寸，声源被看做点声源，声波被看做球面波；(2)空中声场为理想自由声场，测量得到声音信号的传播路径为目标与传声器的连线，即测量得到的声音信号不包含经过二次或更多反射得到的信号；(3)声音在某一路径上的实际传播速度c(单位m/s)受到温度T(单位℃)和平均风速影响，假设平均风速在声传播路径方向上的投影分量为va(单位m/s)，则对于声音在其传播路径上的实际传播速度，我们用经验公式表示为：c＝331.4+0.6T+va(1)关于声音低空声场传播的上述三个假设以及对目标运动速度的限定，是这里我们进行声学跟踪方法设计的基础和前提。运动目标的声学跟踪装置包括传声器阵列、数据采集模块、数据处理模块。传声器阵列由大于等于三个传声器组成，其各个传声器分别位于不同地点。为了能准确判别不同传声器接收信号的时间差，需要对各个传声器的测量时间进行统一。各个传声器通过有线或者无线传输的方式连接到数据采集模块。当系统开机后，多个传声器统一按照数据采集模块发出的时钟指令同时开始工作，即各个传声器同步地接收目标信号。传声器将声信号转换为电信号，各路传声器的电信号以统一的通信协议，通过有线或无线方式传输到数据采集模块。数据采集模块对接收到的各路电信号进行数字化处理，对各路数字化处理后的信号，在进行存储的同时也发送给数据处理模块。数据采集模块对接收的各路传声器电信号的采样频率是一致的，开始采样的时刻也是严格一致的，从而保证了各路接收信号的时间统一性。数据处理模块通过比较前后相邻的一定时间范围内的信号功率值来确定目标信号开始时刻和终止时刻，利用两个时刻中间的信号完成对目标运动参数的估计并记录。目标信号开始和终止的时刻通过如下方法确定：数据处理模块实时计算当前时刻前后一定时间范围内存储的数字信号的功率，并计算其与前一个相邻的同样时间长度范围内信号功率的比值，若二者的比值大于某一个阈值，则认为有目标出现，将当前时刻作为信号开始时刻；在认为有目标出现之后，数据处理模块将仍然比较当前时刻前后一定时间范围内的信号功率与前一个时间范围内的信号功率，若二者比值小于某一阈值，则认为目标消失，将当前时刻作为信号终止时刻。我们这里通过利用不同传声器接收目标信号的观测量，包括到达时间差(TimeDifferenceofArrive,简称TDOA)和到达时间的比例尺差(ScaleDifferenceofArrive,简称SDOA)，来对目标的运动参数进行估计。我们这里事先并不知道目标发出的声音信号形式，另外，由于不同目标的位置及速度不同，所产生的声音信号也是不同的。基于上述原因，对于不同传声器接收到目标信号的TDOA的计算，我们无法通过在接收端构建统一的模板信号对接收信号进行相关处理的方式得到，这里我们采用比较两路接收信号波形的方法。当几路传声器接收信号的波形差异不大时，我们采用相关函数法求取其时间差；当目标的多普勒效应较为明显导致各路传声器接收信号波形的差异较大时，我们引入时间多普勒差，利用互模糊函数联合估计两路信号的时差和时间多普勒差。时间多普勒差也称为到达时间的比例尺差。假设传声器阵列一共有N个传声器，在传声器阵列接收到的一组信号中，最早到达的一路信号为f0(t)，其对应的传声器我们称之为基准传声器，其他路信号为fi(t)，i＝1,2,…,N-1，第i路信号的时长为Ti，数据采集模块的采样频率为fs，对应的采样周期Ts＝1/fs。目标在k时刻的运动参数包括位置坐标[xk,yk,zk]，速度矢量[vx,k,vy,k,vz,k]以及加速度值ak。由于目标是运动的，不同路信号间的TDOA和SDOA是随时间变化的。这里我们对目标运动轨迹进行分段，每段长度为L(单位为米)，在这一段长度内，认为目标的运动参数是不变的。目标运动轨迹是对应到接收信号的，相应地，对各路接收信号也按照相同的时间间隔进行均匀分段。通过对每一段的目标运动参数分别进行估计，即可得到目标的运动轨迹及相关运动参数。假设对目标的速度值大小v有一个先验的约束范围vmin≤v≤vmax，则目标运动距离L对应的采样点数N0应为在实际应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动目标的声学跟踪方法，包括：利用声传感器阵列同步接收运动目标发出的声音信号，声传感器阵列中声传感器的数量应大于等于3，将各个声传感器接收的信号转化为数字信号，再按同样的时间间隔且时间同步地对所有信号均匀分段，以最先到达的一路声传感器接收信号作为基准信号；在每一段时间间隔内，对每一路非基准信号，计算其与基准信号的归一化互相关函数，若其最大归一化互相关函数值大于某一预先设定阈值时，则将该最大值对应的时延作为该路信号与基准信号的到达时间差(TDOA)，若其最大归一化互相关函数值小于某一预先设定阈值时，以到达时间差和到达时间比例尺差(SDOA)为两个自变量，建立两路信号的互模糊函数，对两个参数TDOA和SDOA进行二维搜索，寻找使互模糊函数取得最大值的参数组合，即为该路信号与基准信号的TDOA和SDOA值；根据前后时刻目标运动参数的相互关系，建立目标运动方程，根据声传感器观测量TDOA和SDOA与运动参数的相互关系，建立观测量与运动参数的解析表达式，即为传感器观测方程；对于初始时刻目标运动参数，我们通过先验值获得或采用极大似然估计方法依次对目标坐标和速度矢量进行估计得到，对于后续时刻运动参数的估计，我们根据目标运动方程和传感器观测方程，采用贝叶斯递推估计算法来实现。...

【技术特征摘要】
1.一种运动目标的声学跟踪方法，包括：利用声传感器阵列同步接收运动目标发出的声音信号，声传感器阵列中声传感器的数量应大于等于3，将各个声传感器接收的信号转化为数字信号，再按同样的时间间隔且时间同步地对所有信号均匀分段，以最先到达的一路声传感器接收信号作为基准信号；在每一段时间间隔内，对每一路非基准信号，计算其与基准信号的归一化互相关函数，若其最大归一化互相关函数值大于某一预先设定阈值时，则将该最大值对应的时延作为该路信号与基准信号的到达时间差(TDOA)，若其最大归一化互相关函数值小于某一预先设定阈值时，以到达时间差和到达时间比例尺差(SDOA)为两个自变量，建立两路信号的互模糊函数，对两个参数TDOA和SDOA进行二维搜索，寻找使互模糊函数取得最大值的参数组合，即为该路信号与基准信号的TDOA和SDOA值；根据前后时刻目标运动参数的相互关系，建立目标运动方程，根据声传感器观测量TDOA和SDOA与运动参数的相互关系，建立观测量与运动参数的解析表达式，即为传感器观测方程；对于初始时刻目标运动参数，我们通过先验值获得或采用极大似然估计方法依次对目标坐标和速度矢量进行估计得到，对于后续时刻运动参数的估计，我们根据目标运动方程和传感器观测方程，采用贝叶斯递推估计算法来实现。2.根据权利要求1所述的方法，假设分段后的每段信号对应到目标运动轨迹的长度为L，对目标的速度值大小v的先验约束范围为vmin≤v≤vmax，则声传感器接收信号的数字化采样周期Ts的取值应满足使大于某个预先设定值N0,min。3.根据权利要求1所述的方法，目标运动参数是指目标位置坐标以及速度矢量和加速度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的贝叶斯递推估计算法可用卡尔曼滤波(KF)、扩展卡尔曼滤波(EKF)、不敏卡尔曼滤波(UKF)、点群滤波(PMF)和粒子滤波来近似实现。5.根据权利要求1所述的方法，为进一步提高TDOA值的观测精度，对两个信号的互相关函数峰值附近波形用二次多项式近似为f(t)≈at2+bt+c，将已知的最大互相关值及其邻近若干个点的时延和互相关值作为已知值，对二次多项式f(t)中的参数b和c进行最小二乘求解，则二次多项式峰值对应的时间t＝-b/2c，将该值对应为相应的时延值，该时延值就是TDOA的新观测值。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用风速计对声传感器位置处的风速矢量进行测量，利用温度计对该处温度进行测量，计算风速矢量在目标声信号传播方向上的投影值，利用风速矢量投影值和该点温度值对风速值进行修正，将该修正的风速值应用于目标运动参数估计过程中。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在整个测量区域空间中近似均匀地设置若干个气象气球，该气象气球含有定位装置且...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昭男，王磊，张守中，阎肖鹏，杨东永，
申请(专利权)人：陈昭男，
类型：发明
国别省市：山东,37