專利名稱：一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感網絡定位方法，尤其涉及一種適用于對精度要求較高的非配合式目標定位場景的基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法。
背景技術：
目標定位技術在軍事、民用中都有很廣泛的應用需求。目標定位的一般方法是通過對目標的特征信號進行采集以獲得目標位置的相關參數(shù)估計，如距離、方位角等，然后通過定位算法將這些參數(shù)轉化為目標位置估計。目前已有的目標定位方法很多，本發(fā)明關注的是一種基于聲陣列網絡的目標定位實現(xiàn)方法。聲陣列網絡目標定位方法具有自主性、全方位性、被動探測等優(yōu)勢，特別適用于非配合式場景中的應用。傳統(tǒng)的聲陣列網絡定位方法中，每個陣列節(jié)點包含若干聲傳感器陣元，通過各陣元接收到的聲信號的相位差可以估算目標聲源到達陣列的方向角。具體的實現(xiàn)可通過陣列信號處理技術完成，如經典的MUSIC算法；再利用基于方位角的目標定位算法完成目標定位。傳統(tǒng)的聲陣列網絡定位系統(tǒng)具有兩種基本體系結構第一種結構是多個固定式的有線陣列組成網絡系統(tǒng)，陣列中各陣元信號處理在傳感器端完成，僅上傳信號處理結果，即方向角估計，融合中心端利用各陣列的方向角量測實現(xiàn)目標定位；第二種結構是將集成的陣列分散為多個無線傳感器陣列組成的網絡系統(tǒng)，系統(tǒng)中各傳感器將接收到的信號上傳至融合中心端，在融合中心端進行陣列信號處理和后續(xù)的定位過程?，F(xiàn)有的這兩種傳統(tǒng)的聲陣列網絡定位系統(tǒng)基本體系結構都有各自的不足之處。對于第一種結構，傳感器端需要進行復雜的陣列信號處理，實際實現(xiàn)難度大、成本較高、運算延時較大，且固定的硬件結構限制了其實際應用，可擴展性、使用靈活性均受到了很大的影響；對于第二種結構，實現(xiàn)難度小、成本低，復雜運算均由計算能力強大的融合中心完成，運算延時很小，但各傳感器需要將大量的原始采集信號傳輸至融合中心，網絡負擔超負荷，系統(tǒng)能耗、傳輸延時均難以達到要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取如下技術方案一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，包括以下步驟
(1)系統(tǒng)部署和初始化。( 2 )傳感器節(jié)點對目標聲學信號進行壓縮采集和上傳。(3)根據(jù)上傳數(shù)據(jù)和采集方法，在融合中心段進行信號重構。(4)根據(jù)傳感器節(jié)點的位置形成多個虛擬的聲陣列。(5)根據(jù)虛擬聲陣列中各陣元的信號相位差，估計聲信號的到達方向角。
(6)根據(jù)多個虛擬聲陣列位置及方向角估計，完成目標定位。
本發(fā)明的有益效果是，能夠利用現(xiàn)有的低成本無線聲傳感器網絡在低功耗的工作場景下實現(xiàn)目標的高精度測向、定位。尤其是在非配合式目標定位中具有很大優(yōu)勢，同時也可輕易擴展到多目標定位。


圖1是本發(fā)明的基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法部署圖； 圖2是本發(fā)明中單目標下本方法和原始方法對目標方向角估計結果的對比圖； 圖3是本發(fā)明中多目標下本方法和原始方法對目標方向角估計結果的對比圖； 圖4是本發(fā)明中陣元信號出現(xiàn)部分重構失敗的現(xiàn)象圖；圖5是本發(fā)明中陣元信號出現(xiàn)部分重構失敗時本方法和原始方法對目標方向角估計結果的對比圖；圖6是本發(fā)明中利用方向角估計的目標定位方法數(shù)學模型圖； 圖7是本發(fā)明中利用方向角估計的目標定位效果圖。
具體實施方式
本發(fā)明專利在原有的聲陣列網絡定位系統(tǒng)的分散結構基礎上，利用新型的壓縮感知技術，實現(xiàn)傳感器端對信號的邊采樣邊壓縮的功能，降低了傳感器端的采樣負擔以及數(shù)據(jù)無線通信的負擔，從而使得實時、精確的目標定位成為可能，同時增強了系統(tǒng)的靈活性、 實用性和可擴展性。
本發(fā)明基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，包括以下步驟 1、系統(tǒng)組成、部署和初始化。
基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位系統(tǒng)包括上位機和若干個無線聲傳感器簇，無線聲傳感器簇隨機部署在監(jiān)控區(qū)域中，每簇包含3-5個傳感器，簇內傳感器相距0. 3m-0. 5m，簇間距離根據(jù)目標定位精度和監(jiān)控范圍，并綜合傳感器感知半徑考慮，可設置為20m-200m ；簇間距離越大，定位精度越低，可監(jiān)控范圍越大。系統(tǒng)部署完成后進行系統(tǒng)初始化，初始化中實現(xiàn)無線傳感器網絡的基本功能。系統(tǒng)部署如圖1所示，傳感器與上位機之間進行無線通信。
2、傳感器節(jié)點對目標聲學信號進行壓縮采集和上傳，包括以下子步驟(1)根據(jù)定位目標的聲音信號特征，對長度為η的聲信號進行傅里葉空間變換，獲取信號在稀疏空間下的稀疏度，以及隨機采樣參數(shù)· =作為先驗知識。
(2)根據(jù)目標信號的先驗知識確定隨機稀疏采樣的平均頻率二$/,，其中f為傳統(tǒng)的奈奎斯采樣頻率η為采樣點數(shù)。
(3)根據(jù)隨機采樣次數(shù)，構建相應的觀測矩陣。具體為隨機選取滿足高斯隨機分布N(0，i)的mXn維多隨機觀測矩陣中的m列將子步驟(3)的觀測矩陣設計，讓A/D工作在低速采樣狀態(tài)，在時刻、2e{l，2…,一時進行采.L 其中τ滿足Nl Η-ι tHm的高斯分布，其余非采樣時間的采樣值置零得到長度為η且其中有m個非零值的采樣信號，將采樣信號乘以隨機觀測矩陣，從而得到長度為m的測量值。
3、根據(jù)上傳數(shù)據(jù)和采集方法，在融合中心段進行信號重構。
根據(jù)虛擬無線陣列陣元采集并發(fā)送到數(shù)據(jù)重構端的稀疏采樣數(shù)據(jù)，通過求解Ll 凸優(yōu)化問題，實現(xiàn)信號的高效重構。在具體聲陣列信號重構中，利用聲學信號在頻域上的稀疏性，利用OMP算法計算復雜度小的優(yōu)點實現(xiàn)聲信號的快速重構。
4.根據(jù)傳感器節(jié)點的位置形成多個虛擬的聲陣列。
根據(jù)當前時刻成功上傳數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點的位置，在同簇節(jié)點中選取若干節(jié)點組成一個虛擬聲陣列，多個簇形成由多個虛擬聲陣列組成的系統(tǒng)。
5.根據(jù)虛擬聲陣列中各陣元的信號相位差，估計聲信號的到達方向。
通過各陣元接收到的聲信號的相位差可以估算目標聲源到達陣列的方向角。具體的實現(xiàn)可通過陣列信號處理技術完成，利用經典的MUSIC算法實現(xiàn)信號到達角度的估計， 針對OMP算法在信號重構中存在重構失敗的問題，通過比較各陣元間信號的相似性，自適應地剔除重構失敗的陣元信號，將重構成功的陣元組成新的無線隨機陣列進行信號到達角度的估計。圖2和圖3分別顯示了單目標和多目標情況下原始方法和本方法下信號方向角估計結果對比。圖4顯示了在8個獨立陣元重構信號中即使其中多個陣元信號出現(xiàn)重構失敗，依然能夠得到如圖5所示的方向角估計效果對比。
6.根據(jù)多個虛擬聲陣列位置及方向角估計，完成目標定位。
根據(jù)步驟4中得到的虛擬聲陣列位置及步驟5中得到的方向角估計，形成與傳統(tǒng)聲陣列網絡定位系統(tǒng)相似的定位模型如圖6所示，其中ρ = Oa^f為目標位置，S = U^1J為節(jié)點i的位置，P為節(jié)點估計出的目標方向角。利用基于方向角的目標偽線性定位算法可得目標位置估計，公式如下其中成約
權利要求
1.一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，其特征在于，包括以下步驟系統(tǒng)部署和初始化；傳感器節(jié)點對目標聲學信號進行壓縮采集和上傳；根據(jù)上傳數(shù)據(jù)和采集方法，在融合中心段進行信號重構；根據(jù)傳感器節(jié)點的位置形成多個虛擬的聲陣列；根據(jù)虛擬聲陣列中各陣元的信號相位差，估計聲信號的到達方向角；根據(jù)多個虛擬聲陣列位置及方向角估計，完成目標定位。
2.根據(jù)權利要求1所述一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(2 )包括以下子步驟(1)根據(jù)定位目標的聲音信號特征，根據(jù)壓縮感知理論，針對聲信號在傅里葉空間中的稀疏性，獲取目標聲信號的稀疏度r作為先驗知識，并確定隨機采樣參數(shù) =其中采樣點數(shù)為《 ；(2)根據(jù)目標信號的先驗知識確定隨機稀疏采樣的平均頻率，設傳統(tǒng)的基于奈奎斯特采樣的采樣頻率為f采樣點數(shù)為，則本方法的采樣頻率為，乂，<<1)；ηη η(3)根據(jù)隨機采樣參數(shù).構建相應的觀測矩陣，并根據(jù)壓縮感知理論對原始信號通過觀測矩陣進行隨機投影；具體為隨機選取滿足高斯隨機分布Ν(0,1)的mXn維隨機觀測η矩陣，僅保留其中的w列將其余的列置零，從而克服了原來的基于奈奎斯特采樣的隨機投影環(huán)節(jié)對硬件隨機數(shù)生成器及其同步精度的要求；(4)根據(jù)觀測矩陣對聲學信號進行稀疏采樣，并直接將降維的采樣數(shù)據(jù)從本地數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘栔貥嫸?，具體為根據(jù)子步驟(3)的觀測矩陣設計，讓A/D工作在低速采樣狀態(tài)，將采樣信號乘以隨機觀測矩陣，從而得到長度為m的測量值；同時為保證采樣時間間隔小于 A/D的采樣保持時間，可以選取滿足均勻分布的隨機采樣，其余非采樣時間的采樣值置零，最后得到長度為η且其中有m個非零值的采樣信號；采樣間隔為滿足Ν(1，#)的高斯分m η布，在時刻‘MUM時進行采樣，一O,其中τ為滿足Ν( )的高斯分布，丄的期望值代表不同稀疏度情況下的平均稀疏采樣間隔；使得τ >τ 從而保證A/D的正常工作，實現(xiàn)滿足高斯分布的均勻降速采樣，Tabc為A/D轉換器的數(shù)模轉換時間。
3.根據(jù)權利要求1所述一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為，根據(jù)虛擬無線陣列陣元采集并發(fā)送到數(shù)據(jù)重構端的稀疏采樣數(shù)據(jù)，通過求解Ll凸優(yōu)化問題，實現(xiàn)信號的高效重構；在具體聲陣列信號重構中，利用聲學信號在頻域上的稀疏性，利用OMP算法計算復雜度小的優(yōu)點實現(xiàn)聲信號的快速重構。
4.根據(jù)權利要求1所述一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為，根據(jù)當前時刻成功上傳數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點的位置，在同簇節(jié)點中選取若干節(jié)點組成一個虛擬聲陣列，多個簇形成由多個虛擬聲陣列組成的系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利要求1所述一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，其特征在于，所述步驟(5)具體為，通過各陣元接收到的聲信號的相位差可以估算目標聲源到達陣列的方向角；具體的實現(xiàn)可通過陣列信號處理技術完成，利用經典的MUSIC算法實現(xiàn)信號到達角度的估計，針對OMP算法在信號重構中存在重構失敗的問題，在同一個簇中通過比較各陣元間信號的相似性，識別重構失敗的陣元并自適應地剔除陣元，最后將重構成功的陣元組成新的無線隨機陣列進行信號到達角度的估計。
6.根據(jù)權利要求1所述一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，其特征在于，所述步驟(6)具體為，根據(jù)步驟4中得到的虛擬聲陣列位置及步驟5中得到的方向角估計，形成與傳統(tǒng)聲陣列網絡定位系統(tǒng)相似的定位模型，并利用基于方向角的目標偽線性定位算法可得目標位置估計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于信號相位差的無線聲傳感器網絡目標定位方法，該方法中傳感器進行低功耗、隱蔽性強的被動式測量，即對目標自身輻射信號進行探測，基于信號相位差的定位方式能夠有效避免由于目標信號能量及傳播模型未知的困難，在實際系統(tǒng)中具有很強的實用價值和抗干擾性，同時該方法有效利用壓縮采樣原理降低傳感器端信號采集速率及無線數(shù)據(jù)上傳量，從而易于在實際應用系統(tǒng)中實現(xiàn)；尤其適用于精度要求較高的非配合式目標定位場景。
文檔編號G01S1/76GK102540137SQ20111044658
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權日2011年12月28日
發(fā)明者余愷, 劉薇, 李元實, 王智 申請人:浙江大學