基于聲陣列定位系統(tǒng)的時(shí)差信息提取方法的研究

作者  邵云峰 韓焱 中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所(山西 太原 030051)

*基金項(xiàng)目 : 國家自然科學(xué)基金(編號：60772102);國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(編號：9140c1204040908);國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(編號：9140c12040051010)

　　邵云峰(1990-)，男，碩士，研究方向：信號處理與定位算法，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微震信息探測;韓焱，男，教授，研究方向：信號與信息處理、精密儀器及機(jī)械、信息處理與重建等。

摘要：基于地震動(dòng)信號的可穿戴式被動(dòng)聲探測系統(tǒng)具備體積小巧、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。該研究采用地面走動(dòng)信號的目標(biāo)定位技術(shù)設(shè)計(jì)了鞋底聲傳感器探測陣列及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了陣列信號的獲取、分析和處理，介紹了目標(biāo)定位的方法及時(shí)延估計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的預(yù)處理與時(shí)延估計(jì)的Matlab程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了陣列延時(shí)的檢測，針對時(shí)延估計(jì)不準(zhǔn)確的問題，從系統(tǒng)、算法精度以及頻域分析等方面做了分析，提出了改進(jìn)的方向。

引言

　　在科技飛速進(jìn)步，信息即是財(cái)富的時(shí)代，信息的地位日趨重要。軍事專家們預(yù)言：21世紀(jì)的戰(zhàn)爭將是一場別開生面的信息戰(zhàn)?；?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/地震動(dòng)信號">地震動(dòng)信號的地面被動(dòng)偵察^[1]在復(fù)雜的地形條件下，甚至在嚴(yán)密偽裝的情況下仍能充分發(fā)揮其作用，這正是光學(xué)、無線電等現(xiàn)代監(jiān)視技術(shù)的盲區(qū)，尤其是被動(dòng)聲探測技術(shù)^[2]。

　　但在特殊情況下，如大風(fēng)等惡劣天氣或在植被非常茂盛的地方，聲的傳播特性就會受到很大影響，致使聲探測系統(tǒng)無法正常工作。因此，研究基于地面震動(dòng)信號^[3]的偵察技術(shù)具有非常重要的價(jià)值。

　　地震動(dòng)信號較其他的被動(dòng)偵察信號不同，其信噪比較差，受環(huán)境影響較大，但由于地震動(dòng)探測具有可全天候值守、抗電磁干擾能力強(qiáng)、功耗低、隱蔽性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，作為一種重要的被動(dòng)偵察手段，其地位的不可小覷。而基于地震動(dòng)信號的可穿戴式被動(dòng)聲探測系統(tǒng)因其體積小巧、方便攜帶，并且可使穿戴者根據(jù)情況迅速做出反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，正日趨受到廣泛的關(guān)注。

1 定位原理與傳感器布設(shè)

1.1 定位原理

　　聲源位置與傳感器的平面分布圖如圖1，聲源定位的基本原理是：傳感器陣列中每個(gè)傳感器距聲源的距離是不一樣的，因此，聲源發(fā)出聲音后，傳感器陣列中每個(gè)傳感器采集到的信號會存在時(shí)間差，此時(shí)間差乘以聲音在介質(zhì)中的傳播速度可求出距離差，5個(gè)傳感器中每3個(gè)傳感器可以確定出2個(gè)距離差，據(jù)此我們可以列方程算出聲源的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)聲源的定位。

1.2 傳感器布設(shè)

　　為了實(shí)現(xiàn)全方位信號探測，在鞋底上布設(shè)5個(gè)傳感器，前腳掌布設(shè)4個(gè)傳感器，呈菱形分布(前腳掌每個(gè)傳感器之間相距5cm)，后腳掌布設(shè)一個(gè)傳感器，距前腳掌最后面的那個(gè)傳感器距離為12cm，并對傳感器編號，如圖2所示。

2 目標(biāo)定位與時(shí)延估計(jì)方法

　　目前，目標(biāo)定位方法主要分為有源定位和無源定位^[4]。有源定位就是利用雷達(dá)、激光等有源設(shè)備來對目標(biāo)進(jìn)行定位，但其存在容易暴露、能耗較高的弊端。無源定位是通過對目標(biāo)自身產(chǎn)生的輻射源信號的接收和處理，提取目標(biāo)的距離、方位、航跡等信息。無源定位克服了有源定位的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的方向是采用通過多地震動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的方法，屬于無源定位方法。

　　目前，無源定位算法中目標(biāo)定位[5-8]方法主要有基于到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA)和接收信號強(qiáng)度或能量(RSSI)法。TOA技術(shù)算法簡單，但是要求移動(dòng)目標(biāo)和節(jié)點(diǎn)始終精確同步，易受多徑傳播和噪聲的干擾。RSSI技術(shù)較簡單，近距離精度高，受環(huán)境影響較大，室外遠(yuǎn)距離定位精度較差。

　　時(shí)延估計(jì)^[9-10]是數(shù)字信號處理中一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域。在雷達(dá)、語音信號處理、地球勘探等領(lǐng)域都有較廣泛的應(yīng)用。

　　直接互相關(guān)算法計(jì)算簡單，要求信號、噪聲互不相關(guān);廣義互相關(guān)相當(dāng)于對信號進(jìn)行了白化處理，抑制噪聲當(dāng)信噪比較低時(shí)誤差較大;互雙譜算法對背景噪聲不敏感，可以抑制空間噪聲，不適合非高斯造聲的情形，且信號序列要足夠長，計(jì)算量和估計(jì)方差較大。

　　直接互相關(guān)時(shí)延估計(jì)是通過對兩信號直接做互相關(guān)處理，然后進(jìn)行峰值檢測來估計(jì)時(shí)延。廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)與基本互相關(guān)類似，但其在小信噪比時(shí)，按平方加權(quán);在大信噪比時(shí)，按信噪比加權(quán)。相當(dāng)于對信號進(jìn)行了白化處理，一定程度上抑制了噪聲。

3 信號處理

3.1 信號預(yù)處理

　　采集獲取的傳感器信號混有大量的噪聲，因此需對其進(jìn)行預(yù)處理。本設(shè)計(jì)基于中值濾波器優(yōu)良的抑制噪聲的特點(diǎn)，首先對采集到的信號進(jìn)行中值濾波處理，以便濾除毛刺。

　　中值濾波之后，為了便于數(shù)據(jù)處理，需要截取出采集到信號的有用部分，通過觀察采集到的信號可知，有用信號的幅值遠(yuǎn)大于噪聲的幅值。由正態(tài)分布的性質(zhì)可知，如果X服從正態(tài)分布，則：

　　其中，指的是正態(tài)分布的均值，指的是正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，因此我們?nèi)?shù)據(jù)的均值加3倍的標(biāo)準(zhǔn)差的值作為閾值，據(jù)此截取出信號的有用部分。

3.2 直接相關(guān)法時(shí)延估計(jì)

　　表1是用直接相關(guān)法算出的時(shí)延。接下來我們根據(jù)坐標(biāo)位置，算出理論上每兩個(gè)傳感器到聲源的距離差，用此距離差除以估計(jì)出的時(shí)延，求出速度，圖4是用估計(jì)出的時(shí)延算出的理論速度，將其與聲速進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)我們用估計(jì)出的時(shí)延算出的速度和聲速相差太大，造成這種結(jié)果的原因可能是因?yàn)樾盘栔g相關(guān)性較強(qiáng)，致使估計(jì)出的時(shí)延不準(zhǔn)確。因此，我們采用廣義相關(guān)算法估計(jì)時(shí)延。

3.3 用廣義互相關(guān)算法估計(jì)時(shí)延

　　在這里使用PHAT加權(quán)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。表2是我們用PHAT加權(quán)估計(jì)出的時(shí)延值，圖5是用根據(jù)估計(jì)出的時(shí)延算出的理論速度，將其與聲速進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)算出的10個(gè)速度值中有5個(gè)和聲速在一個(gè)數(shù)量級上。觀察圖形可判斷出，使用算法估計(jì)出的時(shí)延值要比直接互相關(guān)估計(jì)出的時(shí)延值準(zhǔn)確，10個(gè)速度值中有5個(gè)與聲速不在一個(gè)數(shù)量級上，造成這種結(jié)果的原因可能是在測量坐標(biāo)點(diǎn)位置時(shí)人為造成的誤差，也有可能是由于多徑效應(yīng)造成的。

4 結(jié)果分析

　　對截取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，其幅頻特性曲線如圖6所示，從圖中可以看出信號頻率成分較為復(fù)雜，造成這種結(jié)果的原因可能是多徑效應(yīng)^[11]的影響。從圖中可以看出信號頻率主要集中在兩個(gè)頻段：970Hz~1600Hz，3330Hz~3880Hz，假設(shè)需要的信號是一個(gè)單頻成分，那么就需要對信號在整個(gè)頻段上進(jìn)行窄帶濾波，返回時(shí)域看其波形并進(jìn)行分頻時(shí)延估計(jì)，從中找出我們需要的信號，并進(jìn)行后續(xù)分析。

　　用信號發(fā)生器對音箱輸入1kHz，20V峰峰值的正弦信號，將音箱放到點(diǎn)(-5m,0)坐標(biāo)點(diǎn)上，采樣頻率為225kHz，圖7是采集到其中一個(gè)通道信號的時(shí)域波形，圖8是其幅頻特性曲線圖。結(jié)合上述三張圖可以看出采集到的信號并不是一個(gè)頻率單一的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，圖9和圖10是對其幅頻特性曲線中強(qiáng)度(50Hz左右，1950Hz左右)最大的兩個(gè)干擾的放大圖，這兩個(gè)干擾和1kHz信號的強(qiáng)度相差一個(gè)數(shù)量級，不能被忽略，造成這種結(jié)果的原因可能是由于多徑效應(yīng)引起的，也有可能是環(huán)境中的交流干擾造成的，因此需要進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　通過對比圖6和圖8可發(fā)現(xiàn)，我們采集到的信號受到的干擾要比采集一個(gè)單頻聲音信號受到的干擾多，從圖6我們可以看出強(qiáng)度最大的兩個(gè)峰值分別是45dB和50dB，圖9和圖10分別是對兩個(gè)峰值取下降15dB部分的放大圖，從圖中可以看出，第一個(gè)峰值處衰減15dB后，頻段集中在1250Hz~1450Hz，第二個(gè)峰值處衰減15dB后頻段集中在3250Hz~3650Hz，編一個(gè)FIR模擬帶通濾波器對以上兩個(gè)頻段進(jìn)行濾波，圖11和圖12分別是對兩個(gè)頻段作帶通濾波后的時(shí)域波形。和圖3進(jìn)行對比后，發(fā)現(xiàn)第二個(gè)峰值衰減15dB的部分比第一個(gè)峰值衰減15dB的部分與需要的信號的相似度高，說明第二個(gè)峰值衰減15dB的部分中所含的信號的有用部分比第一個(gè)峰值衰減15dB的部分包含的多。

5 結(jié)論

　　本研究是在被動(dòng)聲定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用到軍事及民用中，成為定位技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)背景下展開的，主要是針對被動(dòng)聲定位技術(shù)中的目標(biāo)定位方法和時(shí)延估計(jì)算法進(jìn)行了研究。完成了信號的預(yù)處理的相關(guān)程序設(shè)計(jì)，對信號進(jìn)行了中值濾波，截取出了信號的有用部分，方便信號的后續(xù)處理;完成了時(shí)延估計(jì)算法的程序?qū)崿F(xiàn)，對結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)的方向。還有以下幾方面需要改進(jìn)：對時(shí)延估計(jì)算法的進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn);針對算法計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，應(yīng)對信號分頻段估計(jì)時(shí)延，從中找出需要的信號，從而實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確地時(shí)延估計(jì)。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第29頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。