專利名稱：一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及低空目標定位跟蹤技術領域，特別是涉及一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統。
背景技術：
隨著我國低空空域的逐步開放，我國在通用航空領域的發展逐步加快，中國民用飛機市場將呈現一種井噴的態勢。然而飛機的飛行會受到諸多因素的限制和影響，為了維持飛行秩序，保證飛行安全，空中交通管制部門要劃定航線、避免各類飛機在空中相撞或與地面障礙物(如山頭、高層建筑物等)相撞等事故發生。因此保障飛行安全是目前通用航空領域的一個重要研究課題。同時，低空空域開放還有利于建立航空救援體系。由于通用航空飛行器較少受復雜地形影響，并且具有各種獨特作業手段，在各種搶險救災中發揮著不 可替代的重大作用。此外，通用航空在醫療救護、沙漠治理、石油開采、電力系統建設維護、遙感勘測、城市公安等方面都有著十分廣泛的用途。低空目標的定位與跟蹤問題已成為低空空域開放后通用航空領域迫切需要解決的首要問題。目前，我國空域管理監測手段主要依靠雷達系統，但是由于受到地球曲率與雷達電磁條件的影響，雷達監測系統中存在監測盲區，尤其在中遠程對低空目標的探測能力表現不足，即使現階段正在研究的多基雷達系統、或多部高空雷達與地面雷達相結合的監測系統也不能完全消除低空盲區；大型雷達監測系統還存在結構復雜，后勤保障要求高，難以滿足快速、移動布設等條件限制。和雷達探測比較，聲學探測具有無盲區、全方向、維護保障要求低、工作功耗低、受地形地貌的影響小等特點。雖然通用航空活動的高度范圍比較廣泛，但是主要的高度都在相對高度3000米以下，而這些區域均屬于聲探測能力強、雷達探測能力弱的近地低空。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，以實現對監控區域內出現的目標的定位與跟蹤，從而實現對低空目標的實時監
控管理。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，包括設置在監控區域內的多個傳聲器陣列節點，所述傳聲器陣列節點與監控中心實現通訊連接，所述傳聲陣列節點用于采集監控區域內的聲音信號，一旦檢測到目標后，對目標聲音信號進行分析處理得到目標的波達方向估計，并將估計結果上傳至所述監控中心；所述監控中心用于將多個傳聲器陣列節點的上傳數據進行融合處理，得到目標的位置信息。所述傳聲器陣列節點包括前端傳聲器陣列探測部分和節點數據處理部分；所述前端傳聲器陣列探測部分用于采集監控區域內的聲音信號；所述節點數據處理部分用于對所述前端傳聲器陣列探測部分采集到的聲音信號進行分析處理。
所述前端傳聲器陣列探測部分由多個排列成陣列的前端單傳聲器結構組成；所述前端單傳聲器結構包括傳聲器、第一可伸縮桿、第二可伸縮桿、固定桿、數據采集器和三腳支架；所述三腳支架上設有固定桿，所述固定桿內套有第一可伸縮桿，所述第一可伸縮桿內套有第二可伸縮桿，所述第二可伸縮桿上安裝有所述傳聲器；所述三腳支架上安裝有數據采集器，所述數據采集器與所述傳聲器相連。所述節點數據處理部分包括第一中央處理器、第二中央處理器、信號采集模塊、GPS定位模塊、電子羅盤和無線通信模塊；所述信號采集模塊用于采集前端傳聲器陣列探測部分采集到的聲音信號數據，并對聲音信號數據進行放大、濾波；所述第二中央處理器用于處理經過放大濾波后的聲音信號數據，并將結果傳送至所述第一中央處理器；所述定位模塊用于接收衛星信號對隨機布設的傳聲器陣列節點進行定位；所述電子羅盤根據定北極的結果為傳聲器陣列節點提供參考方向；所述第一中央處理器根據所述第二中央處理器、定位模塊和電子羅盤得到的數據進行分析處理得到目標的波達方向估計；所述通信模塊用于將目標的波達方向估計結果發送至監控中心。
所述第一中央處理器還對聲音信號數據進行目標檢測算法，根據目標檢測算法結果判斷是否進行波達方向估計。所述目標檢測算法采用了多種特征聯合檢測，特征主要包括能量、過零率、功率
-i'TfeP曰。所述第一中央處理器采用了虛擬陣列設計方法，先使用Khatri-Ra0積將原陣列擴展成一個圓形陣列上，在圓形陣列上使用近似最大似然估計的算法得到陣列波達方向，即將觀測到的變量的頻域信號看成是符合正態分布的多維隨機矢量，通過計算觀測變量的概率分布函數，得到觀測值的最大似然估計。根據給出目標的聲波信號方位角測量序列估計當前目標的運動狀態參數，在非高斯非線性的環境下，使用粒子濾波來完成貝葉斯濾波的過程，采用一系列隨機采樣點來近似目標狀態向量的后驗概率密度，以樣本均值代替貝葉斯濾波的積分計算從而獲得波達方向估計狀態估計值。所述粒子濾波為高斯濾波方式，分為測量更新和時間更新兩個階段，在粒子更新過程中采用更新粒子高斯分布參數的方法。所述監控中心用于接收多個傳聲器陣列節點上傳的數據，根據傳聲器陣列節點對目標波達方向的估計結果利用多傳感器陣列節點信息融合的方式對目標進行初步的定位，并通過目標初始位置的定位再利用多模型算法對目標進行跟蹤。有益效果由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果本發明利用傳聲器陣列結構可調的便利性，組成不同的陣列形式，便于根據環境參數、目標特性進行陣列結構調整，獲得對低空目標的最佳監測結果。各傳聲器陣列節點實時上傳目標的方位信息，在監測中心進行信息融合處理，得到目標的位置信息，實現對目標的定位和跟蹤。本發明可以很好地彌補雷達系統的不足，作為低空區域民用飛機的安全保障手段，輔助完成空中交通的安全管理。
圖I是本發明的系統結構示意圖；圖2是本發明中前端單傳聲器結構示意圖；圖3是本發明中節點數據處理部分結構示意圖；圖4是基于Khatri-Rao積的近似最大似然估計算法和直接使用近似最大似然估計算法關于分辨率與信噪比的關系圖；圖5是基于DOA估計的目標跟蹤算法仿真圖；圖6是傳聲器陣列節點工作流程圖；圖7是監控中心工作流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。本發明的實施方式涉及一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，如圖I所示，包括設置在監控區域內的多個傳聲器陣列節點，所述傳聲器陣列節點與監控中心實現通訊連接，所述傳聲陣列節點用于采集監控區域內的聲音信號，一旦檢測到目標后，對目標聲音信號進行分析處理得到目標的波達方向估計，并將估計結果上傳至所述監控中心；所述監控中心用于將多個傳聲器陣列節點的上傳數據進行融合處理，得到目標的位置信息。其中，所述傳聲器陣列節點包括前端傳聲器陣列探測部分和節點數據處理部分；所述前端傳聲器陣列探測部分用于采集監控區域內的聲音信號；所述節點數據處理部分用于對所述前端傳聲器陣列探測部分采集到的聲音信號進行分析處理。所述前端傳聲器陣列探測部分由多個排列成陣列的前端單傳聲器結構組成。如圖2所不，所述前端單傳聲器結構包括傳聲器I、第一可伸縮桿3、第二可伸縮桿2、固定桿4、數據采集器6和三腳支架5 ;所述三腳支架5上設有固定桿4，所述固定桿4內套有第一可伸縮桿3，所述第一可伸縮桿3內套有第二可伸縮桿2，所述第二可伸縮桿2上安裝有所述傳聲器I ;所述三腳支架5上安裝有數據采集器6，所述數據采集器6與所述傳聲器I相連。其中，第一可伸縮桿3和第二可伸縮桿2在工作狀態時可以伸出，高度可根據要求調節，非工作狀態時可以收納進入固定桿部分，大大縮小了設備體積。數據采集器負責采集監控區域內的聲音數據。每個傳聲器都固定在一個三腳支架上，該三腳支架也可隨現場地形調整角度和高度，在非工作狀態時可合并從而減少存放空間。該前端單傳聲器結構還具備防水、防塵燈特點，傳聲器與第二可伸縮桿、第二可伸縮桿和第一可伸縮桿、第一可伸縮桿與固定桿之間均采用了防水處理手段，耦合比較緊密。前端傳聲器陣列探測部分由多個如圖2所示的前端單傳聲器結構組成，且按環境及監控目標的要求可組成不同形式的陣列。前端單傳聲器結構設計采取可伸縮方式，使得該結構易于收納，在使用時將三腳支架展開，不使用時可以將傳聲器伸縮桿與三腳支架收納起來，減小陣列占用空間。同時，由于傳聲器固定在支架上，可以保證傳聲器位置的固定，不會受外界環境因素影響傳聲器陣列之間的相對位置，從而可以最小化由傳聲器位置引起的估計誤差。傳聲器的數據線和電源線全部設計在結構內部，采用統一的數據接口連接。在數據采集時，同時對多個傳聲器通道的聲音數據采樣，保證傳聲器陣列節點間數據采集同步性。如圖3所示，所述節點數據處理部分包括第一中央處理器、第二中央處理器、信號采集模塊、GPS定位模塊、電子羅盤、無線通信模塊、電源模塊；所述信號采集模塊用于采集前端傳聲器陣列探測部分采集到的聲音信號數據，并對聲音信號數據進行放大、濾波；所述第二中央處理器用于處理經過放大濾波后的聲音信號數據，并將結果傳送至所述第一中央處理器；所述定位模塊用于接收衛星信號對隨機布設的傳聲器陣列節點進行定位；所述電子羅盤根據定北極的結果為傳聲器陣列節點提供參考方向；所述第一中央處理器根據所述第二中央處理器、定位模塊和電子羅盤得到的數據進行分析處理得到目標的波達方向估計；所述通信模塊用于將目標的波達方向估計結果發送至監控中心；所述電源模塊給上述各個模塊供電。其中，所述第一中央處理器還對聲音信號數據進行目標檢測算法，根據目標檢測算法結果判斷是否進行波達方向估計，從而使節點實現低功耗的目的，所述目標檢測算法采用了多種特征聯合檢測，特征主要包括能量、過零率、功率譜。
第一中央處理器中波達方向估計算法采用了虛擬陣列設計方法，先使用Khatri-Rao積將原陣列擴展成一個新的圓形陣列上，在新的陣列上使用近似最大似然估計的算法，即將觀測到的變量的頻域信號看成是符合正態分布的多維隨機矢量，通過計算觀測變量的概率分布函數，得到觀測值的最大似然估計，即陣列的波達方向估計。在經過虛擬陣列的擴展后，該陣列的分辨率得到大大提高。而由最大似然估計得到的波達方向在較低信噪比時比空間譜估計算法呈現更優異的性能，并且適用于快拍數很少的情況。基于Khatri-Rao積的近似最大似然估計算法和直接使用近似最大似然估計算法的分辨率與信噪比的關系圖見圖4，在matlab2010b下完成仿真，快拍數為1000，兩個信號源的真實角度為10度和12度，如果估計得到的每一個波達方向值與真實角度的絕對誤差小于I度，則認為兩個角度可分。從圖4中可以看出，在經過Khatri-Rao積方法處理后，分辨率可以明顯提聞。如圖5所示，本發明的跟蹤算法是基于聲陣列的純方位跟蹤問題，利用波達方向估計算法給出目標的聲波信號方位角測量序列估計當前目標的運動狀態參數。基于傳聲器陣列的目標跟蹤是一個典型的非線性濾波問題，在非高斯非線性的環境下，使用粒子濾波來完成貝葉斯濾波的過程，采用一系列隨機采樣點來近似目標狀態向量的后驗概率密度，以樣本均值代替貝葉斯濾波的積分計算從而獲得狀態估計值。本發明在粒子濾波的基礎上采用一種高斯粒子濾波的方法，算法分為兩個階段測量更新和時間更新。這種算法通過對高斯密度函數采樣得到粒子集，從而避免了粒子在傳播過程中的枯竭，進而省去了重采樣步驟。在粒子更新過程中，用更新粒子高斯分布參數的方法取代逐個直接更新粒子的方法，充分考慮當前時刻的量測，使粒子分布更加接近目標狀態向量的后驗概率分布。監測中心包括監控計算機、遠程通信接口模塊。遠程通信接口模塊一方面通過RS232接口與監控計算機連接，將監控計算機對節點的指令下發給各相應節點；另一方面通過無線通信方式與節點連接，將節點的數據處理結果發送至監控計算機。所述監控中心用于接收多個傳聲器陣列節點上傳的數據，根據傳聲器陣列節點對目標波達方向的估計結果利用多傳感器陣列節點信息融合的方式對目標進行初步的定位，并通過目標初始位置的定位再利用多模型算法對目標進行跟蹤，最后將跟蹤結果以圖形的形式顯示出來。
如圖6所示，本發明傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統中傳聲器陣列節點的工作流程圖，具體步驟如下A)傳聲器陣列節點啟動；B)傳聲器陣列節點米集聲音信號；C)根據信號進行目標檢測；若發現目標，則進行信號分析處理，即DOA (波達方向)估計，傳聲器陣列節點向監控中心上傳信號處理結果。如圖7所示，本發明傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統中監控中心功能流程圖，具體步驟如下A)監控中;L·、啟動；·B)監控計算機與節點通過無線通信方式建立連接；C)監控中心接收監測節點注冊信息，并登記每個節點的ID號與地理位置；D)監測中心接收節點發送的信號處理結果等數據，并運行定位、跟蹤算法；E)監控計算機以文字、圖形的形式顯示傳感數據、節點ID、節點地理位置、目標定位跟蹤結果。不難發現，本發明利用傳聲器陣列結構可調的便利性，組成不同的陣列形式，便于根據環境參數、目標特性進行陣列結構調整，獲得對低空目標的最佳監測結果。各傳聲器陣列節點實時上傳目標的方位信息，在監測中心進行信息融合處理，得到目標的位置信息，實現對目標的定位和跟蹤。本發明可以很好地彌補雷達系統的不足，作為低空區域民用飛機的安全保障手段，輔助完成空中交通的安全管理。
權利要求
1.一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，包括設置在監控區域內的多個傳聲器陣列節點，所述傳聲器陣列節點與監控中心實現通訊連接，其特征在于，所述傳聲陣列節點用于采集監控區域內的聲音信號，一旦檢測到目標后，對目標聲音信號進行分析處理得到目標的波達方向估計，并將估計結果上傳至所述監控中心；所述監控中心用于將多個傳聲器陣列節點的上傳數據進行融合處理，得到目標的位置信息。
2.根據權利要求I所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述傳聲器陣列節點包括前端傳聲器陣列探測部分和節點數據處理部分；所述前端傳聲器陣列探測部分用于采集監控區域內的聲音信號；所述節點數據處理部分用于對所述前端傳聲器陣列探測部分采集到的聲音信號進行分析處理。
3.根據權利要求2所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述前端傳聲器陣列探測部分由多個排列成陣列的前端單傳聲器結構組成；所述前端單傳聲器結構包括傳聲器、第一可伸縮桿、第二可伸縮桿、固定桿、數據采集器和三腳支架；所述三腳支架上設有固定桿，所述固定桿內套有第一可伸縮桿，所述第一可伸縮桿內套有第二可伸縮桿，所述第二可伸縮桿上安裝有所述傳聲器；所述三腳支架上安裝有數據采集器，所述數據采集器與所述傳聲器相連。
4.根據權利要求2所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述節點數據處理部分包括第一中央處理器、第二中央處理器、信號采集模塊、GPS定位模塊、電子羅盤和無線通信模塊；所述信號采集模塊用于采集前端傳聲器陣列探測部分采集到的聲音信號數據，并對聲音信號數據進行放大、濾波；所述第二中央處理器用于處理經過放大濾波后的聲音信號數據，并將結果傳送至所述第一中央處理器；所述定位模塊用于接收衛星信號對隨機布設的傳聲器陣列節點進行定位；所述電子羅盤根據定北極的結果為傳聲器陣列節點提供參考方向；所述第一中央處理器根據所述第二中央處理器、定位模塊和電子羅盤得到的數據進行分析處理得到目標的波達方向估計；所述通信模塊用于將目標的波達方向估計結果發送至監控中心。
5.根據權利要求4所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在< 于，所述第一中央處理器還對聲音信號數據進行目標檢測算法，根據目標檢測算法結果判斷是否進行波達方向估計。
6.根據權利要求5所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述目標檢測算法采用了多種特征聯合檢測，特征主要包括能量、過零率、功率譜。
7.根據權利要求4-6中任一權利要求所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述第一中央處理器采用了虛擬陣列設計方法，先使用Khatri-Rao積將原陣列擴展成一個圓形陣列上，在圓形陣列上使用近似最大似然估計的算法得到陣列波達方向，即將觀測到的變量的頻域信號看成是符合正態分布的多維隨機矢量，通過計算觀測變量的概率分布函數，得到觀測值的最大似然估計。
8.根據權利要求7所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，根據給出目標的聲波信號方位角測量序列估計當前目標的運動狀態參數，在非高斯非線性的環境下，使用粒子濾波來完成貝葉斯濾波的過程，采用一系列隨機采樣點來近似目標狀態向量的后驗概率密度，以樣本均值代替貝葉斯濾波的積分計算從而獲得波達方向估計狀態估計值。
9.根據權利要求8所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述粒子濾波為高斯濾波方式，分為測量更新和時間更新兩個階段，在粒子更新過程中采用更新粒子高斯分布參數的方法。
10.根據權利要求I所述的傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，其特征在于，所述監控中心用于接收多個傳聲器陣列節點上傳的數據，根據傳聲器陣列節點對目標波達方向的估計結果利用多傳感器陣列節點信息融合的方式對目標進行初步的定位，并通過目標初始位置的定位再利用多模型算法對目標進行跟蹤。
全文摘要
本發明涉及一種傳聲器陣列結構可變的低空目標定位與跟蹤系統，包括設置在監控區域內的多個傳聲器陣列節點，所述傳聲器陣列節點與監控中心實現通訊連接，所述傳聲陣列節點用于采集監控區域內的聲音信號，一旦檢測到目標后，對目標聲音信號進行分析處理得到目標的波達方向估計，并將估計結果上傳至所述監控中心；所述監控中心用于將多個傳聲器陣列節點的上傳數據進行融合處理，得到目標的位置信息。本發明可以實現對監控區域內出現的目標的定位與跟蹤，從而實現對低空目標的實時監控管理。
文檔編號G01S5/18GK102890267SQ20121034823
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者楊旭光, 江瀟瀟, 張軍, 李雙, 趙康, 何為, 胡育昱, 王營冠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所