基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，包括步骤：一、震动信号采集及同步上传：采用G个震动检测装置对待分析处理周期内待检测区域的地面震动信号分别进行采集并同步传送；二、地面震动信号接收及同步存储；三、地面震动信号处理：301、信号预处理：从所存储的G个待分析地面震动信号中选取两个待分析地面震动信号进行预处理后，获得两个待识别时间序列；302、时间序列相似搜索：调用模式匹配模块对两个待识别时间序列分别进行相似性搜索；四、时延估计；五、震动波形传播速度计算；六、震动目标定位。本发明专利技术方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，能简便、快速对震动目标进行定位，并且定位结果准确。

A method for locating a moving target based on time series similarity search

The invention discloses a method based on time series similarity search of motion target location method, comprising the steps of: A, vibration signal acquisition and synchronization upload: using G vibration detection device to analysis period tested area ground vibration signals were collected and transmitted; two, the ground vibration signal receiving and synchronous storage; three, the ground vibration signal processing, signal preprocessing: 301 from the stored G ground for analysis of selected vibration signal two to the analysis of ground vibration signal pretreatment, two to identify the time series; 302, time series similarity search: call pattern matching module for the two time to be identified sequence similarity search, four; time delay estimation; five, seismic wave propagation velocity calculation; six, motion target. The method of the invention has the advantages of simple steps, reasonable design, simple realization and good use effect, and can conveniently and rapidly locate the vibrating target, and the positioning result is accurate.

【技术实现步骤摘要】
基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法
本专利技术属于震动目标定位
，尤其是涉及一种基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法。
技术介绍
目前，国内外针对震动目标定位问题有很多研究成果，有源定位和无源定位是目标定位方面常用的两种定位方式。其中，有源定位方式是指采用有源设备定位跟踪目标，例如激光、雷达等设备，这种定位方式可以获得较高的定位精度，但是因其发射的信号而容易将自身的位置信息暴露给敌方，并且这种方式的能量损耗较高。无源定位方式是指通过检测目标自身发射的信号来锁定目标位置信息，这种方式克服了有源定位方式的缺陷，在实际应用中发挥较好的作用。常用的无源定位算法有接收信号强度指示法(ReceivedSignalStrengthIndication,RSSI)、到达方位角法(AngleofArrival,AOA)、到达时间法(TimeofArrival,TOA)和到达时间差法(TimeDifferenceofArrival,TDOA)。在实际应用中，使用震动传感器进行周界入侵目标定位的精度并不理想，实现震动目标高精度的定位是目前研究的热点和难点。到达时间差定位方法(TDOA)在震动目标定位方面具有优势，是目前震动目标定位常用的方法。时延估计是到达时间差定位方法的关键环节，时延估计的准确性直接影响到目标位置估计的精确性。在时延估计方面，国内外已经有一定的研究成果，但是在实际应用中的应用效果并不好，时延估计误差大，结果造成较大的定位误差。由于震动波的传播速度是根据波形到达不同传感器的时间差计算得到的，时间差估计的准确性影响震动波传播速度的准确性；地质环境复杂多变，震动波在地表中传播受地质条件影响，传播速度或快或慢，这对定位精度造成了很大影响。现如今，时延估计常用的方法有广义互相关法、高阶累计量法等。其中，广义互相关法需要先验知识，信噪比和多径传播对时延估计性的影响较大。高阶累积量法受信号数据长度的影响较大，并且使用该方法进行时延估计的计算量较大；若震动信号中存在非高斯噪声，使用高阶累积量估计时延的效果也会大打折扣。另外，基本互相关法是广义互相关法的理论基础，互双谱法是高阶累积量常用的方法，经研究上述常用的时延估计方法的优缺点详见表1：表1常用时延估计方法优缺点对比表
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，能简便、快速对震动目标进行定位，并且定位结果准确。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、震动信号采集及同步上传：采用G个震动检测装置且均按照预先设定的采样频率fs，对待分析处理周期内待检测区域的地面震动信号分别进行采集，并将各采样时刻所采集的地面震动信号均同步传送至数据处理器；其中，G为正整数且G≥2；所述待分析处理周期内待检测区域上存在一个震动目标且该震动目标为待定位震动目标，所述待分析处理周期为T，其中T＝N·ts，N为正整数且N≥100，ts为所述震动检测装置相邻两个采样时刻之间的时间间隔且fs的单位为Hz，ts的单位为s；每个采样时刻所采集的地面震动信号均为该采样时刻所述震动检测装置所采集的震动幅值，所述待分析处理周期内每个所述震动检测装置所采集的地面震动信号均包括N个采样时刻该震动检测装置所采集的震动幅值；步骤二、地面震动信号接收及同步存储：采用所述数据处理器对同步接收的所述待分析处理周期内G个所述震动检测装置所采集的地面震动信号分别进行同步存储，所述待分析处理周期内每个所述震动检测装置所采集的地面震动信号均为一个待分析地面震动信号；步骤三、地面震动信号处理：采用所述数据处理器对步骤二中G个所述待分析地面震动信号进行处理，过程如下：步骤301、信号预处理：从步骤二中G个所述待分析地面震动信号中选取两个所述待分析地面震动信号作为待处理地面震动信号，并调用信号预处理模块，对两个所述待处理地面震动信号分别进行预处理，获得两个待识别时间序列；对两个所述待处理地面震动信号进行采集的所述震动检测装置均为已选震动检测装置；步骤302、时间序列相似搜索：先根据预先设定的所述待定位震动目标的类型，从预先建立的模式库中找出所述待定位震动目标的模式数据，所述待定位震动目标的模式数据为待匹配模式数据；再调用模式匹配模块且按照时间先后顺序，由先至后对步骤301中两个所述待识别时间序列分别进行相似性搜索，分别从两个所述待识别时间序列中找出与所述待匹配模式数据匹配的匹配数据，并对从两个所述待识别时间序列中找出的与所述待匹配模式数据匹配的匹配数据分别进行记录；从两个所述待识别时间序列中找出的与所述待匹配模式数据匹配的匹配数据均为一个已匹配时间序列；所述模式库内存储有三个模式数据，三个所述模式数据分别为跺脚模式数据、车辆经过模式数据A和车辆经过模式数据B，三个所述模式数据均为时间序列；所述跺脚模式数据为调用步骤301中所述信号预处理模块对跺脚模式采样数据进行预处理后获得的时间序列，所述跺脚模式采样数据包括一个人在待检测区域上进行一次跺脚过程中所述震动检测装置M个连续的采样时刻所采集的震动幅值；所述车辆经过模式数据A为调用步骤301中所述信号预处理模块对车辆经过模式采样数据A进行预处理后获得的时间序列，所述车辆经过模式采样数据A包括一辆车向靠近所述震动检测装置一侧行驶过程中所述震动检测装置M个连续的采样时刻所采集的震动幅值；所述车辆经过模式数据B为调用步骤301中所述信号预处理模块对车辆经过模式采样数据B进行预处理后获得的时间序列，所述车辆经过模式采样数据B包括一辆车向远离所述震动检测装置行驶过程中所述震动检测装置M个连续的采样时刻所采集的震动幅值；其中，N≥n·M，n和M为正整数，n≥10且M≥10；所述待定位震动目标的类型为跺脚类、车辆经过类A或车辆经过类B，其中当所述待定位震动目标的类型为跺脚类时，所述待定位震动目标的模式数据为跺脚模式数据；当所述待定位震动目标的类型为车辆经过类A时，所述待定位震动目标的模式数据为车辆经过模式数据A；当所述待定位震动目标的类型为车辆经过类B时，所述待定位震动目标的模式数据为车辆经过模式数据B；步骤四、时延估计：调用时延估计模块，对步骤三中两个所述已匹配时间序列的时间差Δt进行确定；其中，Δt为步骤301中两个所述已选震动检测装置之间的采样时延；步骤五、震动波形传播速度计算：调用震动波形传播速度计算模块且根据公式对所述待定位震动目标的震动波形在待检测区域的传播速度v进行计算；公式(1)中，Δd为预先设定的两个所述已选震动检测装置的传播距离差；步骤六、震动目标定位：根据步骤四中所确定的时间差Δt和步骤五中计算得出的传播速度v，调用TDOA定位模块对所述待定位震动目标进行定位。上述基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征是：步骤一中多个所述震动检测装置由前至后布设在待检测区域的中部，多个所述震动检测装置均布设在同一直线上；所述震动检测装置为震动传感器，所述震动传感器埋设于待检测区域的地表层内。上述基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、震动信号采集及同步上传：采用G个震动检测装置且均按照预先设定的采样频率f

【技术特征摘要】
1.一种基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、震动信号采集及同步上传：采用G个震动检测装置且均按照预先设定的采样频率fs，对待分析处理周期内待检测区域的地面震动信号分别进行采集，并将各采样时刻所采集的地面震动信号均同步传送至数据处理器；其中，G为正整数且G≥2；所述待分析处理周期内待检测区域上存在一个震动目标且该震动目标为待定位震动目标，所述待分析处理周期为T，其中T＝N·ts，N为正整数且N≥100，ts为所述震动检测装置相邻两个采样时刻之间的时间间隔且fs的单位为Hz，ts的单位为s；每个采样时刻所采集的地面震动信号均为该采样时刻所述震动检测装置所采集的震动幅值，所述待分析处理周期内每个所述震动检测装置所采集的地面震动信号均包括N个采样时刻该震动检测装置所采集的震动幅值；步骤二、地面震动信号接收及同步存储：采用所述数据处理器对同步接收的所述待分析处理周期内G个所述震动检测装置所采集的地面震动信号分别进行同步存储，所述待分析处理周期内每个所述震动检测装置所采集的地面震动信号均为一个待分析地面震动信号；步骤三、地面震动信号处理：采用所述数据处理器对步骤二中G个所述待分析地面震动信号进行处理，过程如下：步骤301、信号预处理：从步骤二中G个所述待分析地面震动信号中选取两个所述待分析地面震动信号作为待处理地面震动信号，并调用信号预处理模块，对两个所述待处理地面震动信号分别进行预处理，获得两个待识别时间序列；对两个所述待处理地面震动信号进行采集的所述震动检测装置均为已选震动检测装置；步骤302、时间序列相似搜索：先根据预先设定的所述待定位震动目标的类型，从预先建立的模式库中找出所述待定位震动目标的模式数据，所述待定位震动目标的模式数据为待匹配模式数据；再调用模式匹配模块且按照时间先后顺序，由先至后对步骤301中两个所述待识别时间序列分别进行相似性搜索，分别从两个所述待识别时间序列中找出与所述待匹配模式数据匹配的匹配数据，并对从两个所述待识别时间序列中找出的与所述待匹配模式数据匹配的匹配数据分别进行记录；从两个所述待识别时间序列中找出的与所述待匹配模式数据匹配的匹配数据均为一个已匹配时间序列；所述模式库内存储有三个模式数据，三个所述模式数据分别为跺脚模式数据、车辆经过模式数据A和车辆经过模式数据B，三个所述模式数据均为时间序列；所述跺脚模式数据为调用步骤301中所述信号预处理模块对跺脚模式采样数据进行预处理后获得的时间序列，所述跺脚模式采样数据包括一个人在待检测区域上进行一次跺脚过程中所述震动检测装置M个连续的采样时刻所采集的震动幅值；所述车辆经过模式数据A为调用步骤301中所述信号预处理模块对车辆经过模式采样数据A进行预处理后获得的时间序列，所述车辆经过模式采样数据A包括一辆车向靠近所述震动检测装置一侧行驶过程中所述震动检测装置M个连续的采样时刻所采集的震动幅值；所述车辆经过模式数据B为调用步骤301中所述信号预处理模块对车辆经过模式采样数据B进行预处理后获得的时间序列，所述车辆经过模式采样数据B包括一辆车向远离所述震动检测装置行驶过程中所述震动检测装置M个连续的采样时刻所采集的震动幅值；其中，N≥n·M，n和M为正整数，n≥10且M≥10；所述待定位震动目标的类型为跺脚类、车辆经过类A或车辆经过类B，其中当所述待定位震动目标的类型为跺脚类时，所述待定位震动目标的模式数据为跺脚模式数据；当所述待定位震动目标的类型为车辆经过类A时，所述待定位震动目标的模式数据为车辆经过模式数据A；当所述待定位震动目标的类型为车辆经过类B时，所述待定位震动目标的模式数据为车辆经过模式数据B；步骤四、时延估计：调用时延估计模块，对步骤三中两个所述已匹配时间序列的时间差Δt进行确定；其中，Δt为步骤301中两个所述已选震动检测装置之间的采样时延；步骤五、震动波形传播速度计算：调用震动波形传播速度计算模块且根据公式对所述待定位震动目标的震动波形在待检测区域的传播速度v进行计算；公式(1)中，Δd为预先设定的两个所述已选震动检测装置的传播距离差；步骤六、震动目标定位：根据步骤四中所确定的时间差Δt和步骤五中计算得出的传播速度v，调用TDOA定位模块对所述待定位震动目标进行定位。2.按照权利要求1所述的基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征在于：步骤一中多个所述震动检测装置由前至后布设在待检测区域的中部，多个所述震动检测装置均布设在同一直线上；所述震动检测装置为震动传感器，所述震动传感器埋设于待检测区域的地表层内。3.按照权利要求1或2所述的基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征在于：步骤一中所述的fs＝1kHz，N＝1000，T＝1s；步骤302中所述的M＝55～65。4.按照权利要求1或2所述的基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其特征在于：步骤一中所述的G≥3；步骤六中调用TDOA定位模块对所述待定位震动目标进行定位时，从G个所述震动检测装置中选取三个所述震动检测装置进行定位，所选取的三个所述震动检测装置布设在在同一直线上且三者分别为震动检测装置a、震动检测装置b和震动检测装置c，所述震动检测装置a位于震动检测装置b与震动检测装置c之间，所述震动检测装置b和震动检测装置c与所述震动检测装置a之间的距离均为d；步骤六中调用TDOA定位模块对所述待定位震动目标进行定位时，根据公式和公式对所述待定位震动目标的极坐标(r,θ)进行计算；公式(2)和公式(3)中，Δtab为震动检测装置a与震动检测装置b之间的采样时延，Δtac为震动检测装置a与震动检测装置c之间的采样时延。5.按照权利要求1或2所述的基于时间序列相似搜索的震动目标定位方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱国，张朝阳，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61