无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法技术

本发明专利技术涉及一种无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法，主要的目标是枪声、空中爆炸、烟花爆竹等。针对声震耦合多路径、声震耦合波中有效瑞雷波含量少的问题，本发明专利技术拟通过利用声震耦合波的偏振特征和频域特征检测瑞雷波进而估计出空中声源方位信息。首先，根据信号的时频特征进行时域频域的预处理，然后求出每个频带下的多个特征参数，设定阈值计算权值，再通过非线性权值算法找出最有可能存在瑞雷波的频带，最后根据带通滤波得到的三个分量数据估计出方位角。本发明专利技术方法实现了利用单个三分量检波器就可以估计出空中声源方位角，提高了无人值守传感器网络估计方位角的稳健性，也适合有少点布设需求的场景。也适合有少点布设需求的场景。也适合有少点布设需求的场景。

【技术实现步骤摘要】
无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法

：
[0001]本专利技术涉及声震耦合应用领域，特别是涉及一种无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法。

技术介绍
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[0002]无人值守地面传感器具有全天候监视、不受光线干扰等优点，已广泛应用在重点区域监视入侵空中声源。例如，在关键结构(边境线、发电厂、水坝等)以及生命线(电力、天然气、石油传输线等)附近，需要监视空中爆炸物(化学物品)、枪声等以确保人身安全；在山地、仓库等存在易燃物品地带需要全天候监视违规燃放烟花爆竹以此减少火灾事故发生。获取声源的方位信息(方位角)有利于帮助安保系统快速找到声源位置，减少生命及财产损失。目前，估计估计空中声源方位角的主流方法是利用声传感器阵列监视(例如对比文献1(CN201410503647.6))，然而，声传感器暴露在外面容易被发现和破坏，且自身也容易受到风雨天气和环境干扰而导致数据质量差和不可靠。基于声震耦合原理，地震检波器能够感知到空中声源，地震检波器相对不易受到恶劣天气的影响，且布设隐蔽。因此，当声传感器不适用时，可以利用地震检波器代替。
[0003]目前主要利用地震检波器阵列估计空中声源方位角，通过提取地震检波器的到时信息，然后根据阵列中到时差与方位角的关系进而推导出方位角。然而，阵列方式有效的前提是阵列中所有检波器都能提取出到时信息。当声源较弱时，阵列中较远处的检波器由于低信噪比无法被提取出到时信息，这样使得整个阵列都无法估计出方位角。事实上，地震信号的偏振特性也能反映出目标的方位信息，根据不同震相的传播特点，单个三分量检波器理论上能够估计出空中声源的方位角，更适合有少点布设需求的场景。
[0004]常规利用偏振特征估计地面震源方位角的方法(例如对比文献2(CN113093093A))无法直接用在空中声源方位角估计，原因在于地面震源激发的地震波传播路径比较明确，各种震相容易区分，容易找到瑞雷波；而空中声源由于声震耦合效应，存在复杂多路径的地震波在地下介质中同时传播，瑞雷波与多震相混叠在一起，导致数据由于受强干扰而不可靠，采用对比文献2的方法估计空中声源方位角的误差很大，造成估计结果的不可靠。为此应该结合声震耦合波中的瑞雷波在多个域的特征去检测瑞雷波，然后再根据瑞雷波的质点运动规律去估计出空中声源的方位角。

技术实现思路
：
[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法。
[0006]本专利技术的专利技术思想是，声震耦合过程中包含少量可用的瑞雷波，以瑞雷波的偏振方向对应声源方向的特性为依据，同时又考虑到声震耦合的多路径效应、环境干扰以及瑞雷波的多阶现象，针对低信噪比的问题，利用4个偏振特征和1个频域特征再基于一个非线性权值方法共同检测出相对理想的瑞雷波，再通过微积分变换得到三个分量的加速度和速
度信号，利用偏振特征与方位角的关系公式估计出方位角。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法，包括以下步骤：
[0009]a.预处理，原始水平分量信号X、Y和垂直分量信号Z，作出Z的时频图，根据实际信号的持续时间以及低频干扰频率范围，初步判断出瑞雷波所在的大致频率区间[F1，F2]Hz，并要求F2不大于时频图中信号的能量最强的部分对应的频率；
[0010]b.在[F1，F2]内，选择零相移滤波器对三个分量信号进行多次带通滤波，频带宽度和移动的步长都是WHz，滤波频带区间∏(n)依次是[F1，F1+W]Hz，[F1+W，F1+2W]Hz，[F1+2W，F1+3W]Hz，
…
，n是滤波频带的序号，n＝1，2，...，N，N是滤波频带的总个数；
[0011]c.求每个频带的特征参数，以∏(n)中的第J个滤波频带为例，∏(J)滤波后的三个分量是X
J
、Y
J
和Z
J
，设矩阵ξ＝[Z
J
，X
J
，Y
J
]T
，求出3
×
3协方差矩阵ξξ
T
并对其进行特征值分解，特征值λ1＞λ2＞λ3，对应的特征向量求多个特征参数，
[0012]1)倒数椭圆率
[0013][0014]2)平坦度系数
[0015][0016]3)相位差，
[0017][0018][0019]求出R1，Z
J
之间的相位差(角度制)；
[0020]4)求v3与水平面的夹角
[0021][0022]5)X
J
、Y
J
和Z
J
的能量之和e(J)；
[0023]然后求出所有频带下的ρ(n)、c(n)、θ(n)和e(n)，5个特征各自包含N个元素，找出e(n)的离散曲线上的所有极大值点对应的频带，并组成集合H；
[0024]d.计算4个偏振特征参数的绝对误差值
[0025]E
Δ
(n)＝|Δ(n)
‑
L
Δ
|
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]其中Δ指代ρ、c、θ的任意一个，L
ρ
、L
c
、和L
θ
分别等于0、1、90
°
、0，对每个偏振特征参数，误差阈值T
Δ
＝std(Δ(n))，其中std()表示求括号内一维数组的一倍标准差；
[0027]e.计算H中每个频带对应的4个偏振特征参数的权值总和，每个特征参数的权值计算方法相同，以计算∏(J)中特征Δ的权值为例，
[0028][0029]其中min()表示求括号内一维数组的最小值，则∏(J)上4个偏振特征参数的权值总和W
J
的计算公式
[0030][0031]求出H中每个频带的权值总和并找到权值总和数值最大的频带，其对应的频带序号是K，我们认为∏(K)内存在相对理想的瑞雷波，提取后的水平分量X
K
、Y
K
和垂直分量Z
K
；
[0032]f.通过微积分将X
K
、Y
K
和Z
K
变换为S
x
、S
y
和V
z
，其中S
x
、S
y
和V
z
分别是沿x和y方向的加速度信号以及沿z方向的速度信号；
[0033]g.求空中声源的方位角，
[0034][0035]其中Θ是角度制，“·”表示两个一维数组之间的点乘运算。
[0036]有益效果：
[0037]本专利技术可应用在城市和野外噪声干扰较大的环境，适用性强，在有用信号近乎被淹没的情况下依然能够较为准确的估计出空中声源方位角。本专利技术主要适用于对枪声、空中爆炸物、烟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人值守单个三分量检波器估计空中声源方位角的方法，包括以下步骤：a.预处理，原始水平分量信号X、Y和垂直分量信号Z，作出Z的时频图，根据实际信号的持续时间以及低频干扰频率范围，初步判断出瑞雷波所在的大致频率区间[F1，F2]Hz，并要求F2不大于时频图中信号的能量最强的部分对应的频率；b.在[F1，F2]内，选择零相移滤波器对三个分量信号进行多次带通滤波，频带宽度和移动的步长都是WHz，滤波频带区间∏(n)依次是[F1，F1+W]Hz，[F1+W，F1+2W]Hz，[F1+2W，F1+3W]Hz，
…
，n是滤波频带的序号，n＝1，2，...，N，N是滤波频带的总个数；c.求每个频带的特征参数，以∏(n)中的第J个滤波频带为例，∏(J)滤波后的三个分量是X
J
、Y
J
和Z
J
，设矩阵ξ＝[Z
J
，X
J
，Y
J
]
T
，求出3
×
3协方差矩阵ξξ
T
并对其进行特征值分解，特征值λ1＞λ2＞λ3，对应的特征向量求多个特征参数，1)倒数椭圆率2)平坦度系数3)相位差，3)相位差，求出R1，Z
J
之间的相位差(角度制)；4)求v3与水平面的夹角5)X
J
、Y
J
和Z
J
的能量之和e(J)；然后求出所有频带下的ρ(n)、c(n)、θ(n)和e(n)，5个特征各自包含N个元素，找出e(n)的离散曲线上的所有极大值点对应的频带，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜弢，王鑫，李爽，王京椰，王开开，晁云峰，郑凡，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：