专利名称：一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及低空目标定位跟踪技术领域，特别是涉及一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统。
背景技术：
随着我国低空空域的逐步开放，我国在通用航空领域的发展逐步加快，中国民用飞机市场将呈现一种井喷的态势。然而飞机的飞行会受到诸多因素的限制和影响，为了维持飞行秩序，保证飞行安全，空中交通管制部门要划定航线、避免各类飞机在空中相撞或与地面障碍物(如山头、高层建筑物等)相撞等事故发生。因此保障飞行安全是目前通用航空领域的一个重要研究课题。同时，低空空域开放还有利于建立航空救援体系。由于通用航空飞行器较少受复杂地形影响，并且具有各种独特作业手段，在各种抢险救灾中发挥着不 可替代的重大作用。此外，通用航空在医疗救护、沙漠治理、石油开采、电力系统建设维护、遥感勘测、城市公安等方面都有着十分广泛的用途。低空目标的定位与跟踪问题已成为低空空域开放后通用航空领域迫切需要解决的首要问题。目前，我国空域管理监测手段主要依靠雷达系统，但是由于受到地球曲率与雷达电磁条件的影响，雷达监测系统中存在监测盲区，尤其在中远程对低空目标的探测能力表现不足，即使现阶段正在研究的多基雷达系统、或多部高空雷达与地面雷达相结合的监测系统也不能完全消除低空盲区；大型雷达监测系统还存在结构复杂，后勤保障要求高，难以满足快速、移动布设等条件限制。和雷达探测比较，声学探测具有无盲区、全方向、维护保障要求低、工作功耗低、受地形地貌的影响小等特点。虽然通用航空活动的高度范围比较广泛，但是主要的高度都在相对高度3000米以下，而这些区域均属于声探测能力强、雷达探测能力弱的近地低空。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，以实现对监控区域内出现的目标的定位与跟踪，从而实现对低空目标的实时监
控管理。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，包括设置在监控区域内的多个传声器阵列节点，所述传声器阵列节点与监控中心实现通讯连接，所述传声阵列节点用于采集监控区域内的声音信号，一旦检测到目标后，对目标声音信号进行分析处理得到目标的波达方向估计，并将估计结果上传至所述监控中心；所述监控中心用于将多个传声器阵列节点的上传数据进行融合处理，得到目标的位置信息。所述传声器阵列节点包括前端传声器阵列探测部分和节点数据处理部分；所述前端传声器阵列探测部分用于采集监控区域内的声音信号；所述节点数据处理部分用于对所述前端传声器阵列探测部分采集到的声音信号进行分析处理。
所述前端传声器阵列探测部分由多个排列成阵列的前端单传声器结构组成；所述前端单传声器结构包括传声器、第一可伸缩杆、第二可伸缩杆、固定杆、数据采集器和三脚支架；所述三脚支架上设有固定杆，所述固定杆内套有第一可伸缩杆，所述第一可伸缩杆内套有第二可伸缩杆，所述第二可伸缩杆上安装有所述传声器；所述三脚支架上安装有数据采集器，所述数据采集器与所述传声器相连。所述节点数据处理部分包括第一中央处理器、第二中央处理器、信号采集模块、GPS定位模块、电子罗盘和无线通信模块；所述信号采集模块用于采集前端传声器阵列探测部分采集到的声音信号数据，并对声音信号数据进行放大、滤波；所述第二中央处理器用于处理经过放大滤波后的声音信号数据，并将结果传送至所述第一中央处理器；所述定位模块用于接收卫星信号对随机布设的传声器阵列节点进行定位；所述电子罗盘根据定北极的结果为传声器阵列节点提供参考方向；所述第一中央处理器根据所述第二中央处理器、定位模块和电子罗盘得到的数据进行分析处理得到目标的波达方向估计；所述通信模块用于将目标的波达方向估计结果发送至监控中心。
所述第一中央处理器还对声音信号数据进行目标检测算法，根据目标检测算法结果判断是否进行波达方向估计。所述目标检测算法采用了多种特征联合检测，特征主要包括能量、过零率、功率
-i'TfeP曰。所述第一中央处理器采用了虚拟阵列设计方法，先使用Khatri-Ra0积将原阵列扩展成一个圆形阵列上，在圆形阵列上使用近似最大似然估计的算法得到阵列波达方向，即将观测到的变量的频域信号看成是符合正态分布的多维随机矢量，通过计算观测变量的概率分布函数，得到观测值的最大似然估计。根据给出目标的声波信号方位角测量序列估计当前目标的运动状态参数，在非高斯非线性的环境下，使用粒子滤波来完成贝叶斯滤波的过程，采用一系列随机采样点来近似目标状态向量的后验概率密度，以样本均值代替贝叶斯滤波的积分计算从而获得波达方向估计状态估计值。所述粒子滤波为高斯滤波方式，分为测量更新和时间更新两个阶段，在粒子更新过程中采用更新粒子高斯分布参数的方法。所述监控中心用于接收多个传声器阵列节点上传的数据，根据传声器阵列节点对目标波达方向的估计结果利用多传感器阵列节点信息融合的方式对目标进行初步的定位，并通过目标初始位置的定位再利用多模型算法对目标进行跟踪。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明利用传声器阵列结构可调的便利性，组成不同的阵列形式，便于根据环境参数、目标特性进行阵列结构调整，获得对低空目标的最佳监测结果。各传声器阵列节点实时上传目标的方位信息，在监测中心进行信息融合处理，得到目标的位置信息，实现对目标的定位和跟踪。本发明可以很好地弥补雷达系统的不足，作为低空区域民用飞机的安全保障手段，辅助完成空中交通的安全管理。


图I是本发明的系统结构示意图；图2是本发明中前端单传声器结构示意图；图3是本发明中节点数据处理部分结构示意图；图4是基于Khatri-Rao积的近似最大似然估计算法和直接使用近似最大似然估计算法关于分辨率与信噪比的关系图；图5是基于DOA估计的目标跟踪算法仿真图；图6是传声器阵列节点工作流程图；图7是监控中心工作流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，如图I所示，包括设置在监控区域内的多个传声器阵列节点，所述传声器阵列节点与监控中心实现通讯连接，所述传声阵列节点用于采集监控区域内的声音信号，一旦检测到目标后，对目标声音信号进行分析处理得到目标的波达方向估计，并将估计结果上传至所述监控中心；所述监控中心用于将多个传声器阵列节点的上传数据进行融合处理，得到目标的位置信息。其中，所述传声器阵列节点包括前端传声器阵列探测部分和节点数据处理部分；所述前端传声器阵列探测部分用于采集监控区域内的声音信号；所述节点数据处理部分用于对所述前端传声器阵列探测部分采集到的声音信号进行分析处理。所述前端传声器阵列探测部分由多个排列成阵列的前端单传声器结构组成。如图2所不，所述前端单传声器结构包括传声器I、第一可伸缩杆3、第二可伸缩杆2、固定杆4、数据采集器6和三脚支架5 ;所述三脚支架5上设有固定杆4，所述固定杆4内套有第一可伸缩杆3，所述第一可伸缩杆3内套有第二可伸缩杆2，所述第二可伸缩杆2上安装有所述传声器I ;所述三脚支架5上安装有数据采集器6，所述数据采集器6与所述传声器I相连。其中，第一可伸缩杆3和第二可伸缩杆2在工作状态时可以伸出，高度可根据要求调节，非工作状态时可以收纳进入固定杆部分，大大缩小了设备体积。数据采集器负责采集监控区域内的声音数据。每个传声器都固定在一个三脚支架上，该三脚支架也可随现场地形调整角度和高度，在非工作状态时可合并从而减少存放空间。该前端单传声器结构还具备防水、防尘灯特点，传声器与第二可伸缩杆、第二可伸缩杆和第一可伸缩杆、第一可伸缩杆与固定杆之间均采用了防水处理手段，耦合比较紧密。前端传声器阵列探测部分由多个如图2所示的前端单传声器结构组成，且按环境及监控目标的要求可组成不同形式的阵列。前端单传声器结构设计采取可伸缩方式，使得该结构易于收纳，在使用时将三脚支架展开，不使用时可以将传声器伸缩杆与三脚支架收纳起来，减小阵列占用空间。同时，由于传声器固定在支架上，可以保证传声器位置的固定，不会受外界环境因素影响传声器阵列之间的相对位置，从而可以最小化由传声器位置引起的估计误差。传声器的数据线和电源线全部设计在结构内部，采用统一的数据接口连接。在数据采集时，同时对多个传声器通道的声音数据采样，保证传声器阵列节点间数据采集同步性。如图3所示，所述节点数据处理部分包括第一中央处理器、第二中央处理器、信号采集模块、GPS定位模块、电子罗盘、无线通信模块、电源模块；所述信号采集模块用于采集前端传声器阵列探测部分采集到的声音信号数据，并对声音信号数据进行放大、滤波；所述第二中央处理器用于处理经过放大滤波后的声音信号数据，并将结果传送至所述第一中央处理器；所述定位模块用于接收卫星信号对随机布设的传声器阵列节点进行定位；所述电子罗盘根据定北极的结果为传声器阵列节点提供参考方向；所述第一中央处理器根据所述第二中央处理器、定位模块和电子罗盘得到的数据进行分析处理得到目标的波达方向估计；所述通信模块用于将目标的波达方向估计结果发送至监控中心；所述电源模块给上述各个模块供电。其中，所述第一中央处理器还对声音信号数据进行目标检测算法，根据目标检测算法结果判断是否进行波达方向估计，从而使节点实现低功耗的目的，所述目标检测算法采用了多种特征联合检测，特征主要包括能量、过零率、功率谱。
第一中央处理器中波达方向估计算法采用了虚拟阵列设计方法，先使用Khatri-Rao积将原阵列扩展成一个新的圆形阵列上，在新的阵列上使用近似最大似然估计的算法，即将观测到的变量的频域信号看成是符合正态分布的多维随机矢量，通过计算观测变量的概率分布函数，得到观测值的最大似然估计，即阵列的波达方向估计。在经过虚拟阵列的扩展后，该阵列的分辨率得到大大提高。而由最大似然估计得到的波达方向在较低信噪比时比空间谱估计算法呈现更优异的性能，并且适用于快拍数很少的情况。基于Khatri-Rao积的近似最大似然估计算法和直接使用近似最大似然估计算法的分辨率与信噪比的关系图见图4，在matlab2010b下完成仿真，快拍数为1000，两个信号源的真实角度为10度和12度，如果估计得到的每一个波达方向值与真实角度的绝对误差小于I度，则认为两个角度可分。从图4中可以看出，在经过Khatri-Rao积方法处理后，分辨率可以明显提闻。如图5所示，本发明的跟踪算法是基于声阵列的纯方位跟踪问题，利用波达方向估计算法给出目标的声波信号方位角测量序列估计当前目标的运动状态参数。基于传声器阵列的目标跟踪是一个典型的非线性滤波问题，在非高斯非线性的环境下，使用粒子滤波来完成贝叶斯滤波的过程，采用一系列随机采样点来近似目标状态向量的后验概率密度，以样本均值代替贝叶斯滤波的积分计算从而获得状态估计值。本发明在粒子滤波的基础上采用一种高斯粒子滤波的方法，算法分为两个阶段测量更新和时间更新。这种算法通过对高斯密度函数采样得到粒子集，从而避免了粒子在传播过程中的枯竭，进而省去了重采样步骤。在粒子更新过程中，用更新粒子高斯分布参数的方法取代逐个直接更新粒子的方法，充分考虑当前时刻的量测，使粒子分布更加接近目标状态向量的后验概率分布。监测中心包括监控计算机、远程通信接口模块。远程通信接口模块一方面通过RS232接口与监控计算机连接，将监控计算机对节点的指令下发给各相应节点；另一方面通过无线通信方式与节点连接，将节点的数据处理结果发送至监控计算机。所述监控中心用于接收多个传声器阵列节点上传的数据，根据传声器阵列节点对目标波达方向的估计结果利用多传感器阵列节点信息融合的方式对目标进行初步的定位，并通过目标初始位置的定位再利用多模型算法对目标进行跟踪，最后将跟踪结果以图形的形式显示出来。
如图6所示，本发明传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统中传声器阵列节点的工作流程图，具体步骤如下A)传声器阵列节点启动；B)传声器阵列节点米集声音信号；C)根据信号进行目标检测；若发现目标，则进行信号分析处理，即DOA (波达方向)估计，传声器阵列节点向监控中心上传信号处理结果。如图7所示，本发明传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统中监控中心功能流程图，具体步骤如下A)监控中;L·、启动；·B)监控计算机与节点通过无线通信方式建立连接；C)监控中心接收监测节点注册信息，并登记每个节点的ID号与地理位置；D)监测中心接收节点发送的信号处理结果等数据，并运行定位、跟踪算法；E)监控计算机以文字、图形的形式显示传感数据、节点ID、节点地理位置、目标定位跟踪结果。不难发现，本发明利用传声器阵列结构可调的便利性，组成不同的阵列形式，便于根据环境参数、目标特性进行阵列结构调整，获得对低空目标的最佳监测结果。各传声器阵列节点实时上传目标的方位信息，在监测中心进行信息融合处理，得到目标的位置信息，实现对目标的定位和跟踪。本发明可以很好地弥补雷达系统的不足，作为低空区域民用飞机的安全保障手段，辅助完成空中交通的安全管理。
权利要求
1.一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，包括设置在监控区域内的多个传声器阵列节点，所述传声器阵列节点与监控中心实现通讯连接，其特征在于，所述传声阵列节点用于采集监控区域内的声音信号，一旦检测到目标后，对目标声音信号进行分析处理得到目标的波达方向估计，并将估计结果上传至所述监控中心；所述监控中心用于将多个传声器阵列节点的上传数据进行融合处理，得到目标的位置信息。
2.根据权利要求I所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述传声器阵列节点包括前端传声器阵列探测部分和节点数据处理部分；所述前端传声器阵列探测部分用于采集监控区域内的声音信号；所述节点数据处理部分用于对所述前端传声器阵列探测部分采集到的声音信号进行分析处理。
3.根据权利要求2所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述前端传声器阵列探测部分由多个排列成阵列的前端单传声器结构组成；所述前端单传声器结构包括传声器、第一可伸缩杆、第二可伸缩杆、固定杆、数据采集器和三脚支架；所述三脚支架上设有固定杆，所述固定杆内套有第一可伸缩杆，所述第一可伸缩杆内套有第二可伸缩杆，所述第二可伸缩杆上安装有所述传声器；所述三脚支架上安装有数据采集器，所述数据采集器与所述传声器相连。
4.根据权利要求2所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述节点数据处理部分包括第一中央处理器、第二中央处理器、信号采集模块、GPS定位模块、电子罗盘和无线通信模块；所述信号采集模块用于采集前端传声器阵列探测部分采集到的声音信号数据，并对声音信号数据进行放大、滤波；所述第二中央处理器用于处理经过放大滤波后的声音信号数据，并将结果传送至所述第一中央处理器；所述定位模块用于接收卫星信号对随机布设的传声器阵列节点进行定位；所述电子罗盘根据定北极的结果为传声器阵列节点提供参考方向；所述第一中央处理器根据所述第二中央处理器、定位模块和电子罗盘得到的数据进行分析处理得到目标的波达方向估计；所述通信模块用于将目标的波达方向估计结果发送至监控中心。
5.根据权利要求4所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在< 于，所述第一中央处理器还对声音信号数据进行目标检测算法，根据目标检测算法结果判断是否进行波达方向估计。
6.根据权利要求5所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述目标检测算法采用了多种特征联合检测，特征主要包括能量、过零率、功率谱。
7.根据权利要求4-6中任一权利要求所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述第一中央处理器采用了虚拟阵列设计方法，先使用Khatri-Rao积将原阵列扩展成一个圆形阵列上，在圆形阵列上使用近似最大似然估计的算法得到阵列波达方向，即将观测到的变量的频域信号看成是符合正态分布的多维随机矢量，通过计算观测变量的概率分布函数，得到观测值的最大似然估计。
8.根据权利要求7所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，根据给出目标的声波信号方位角测量序列估计当前目标的运动状态参数，在非高斯非线性的环境下，使用粒子滤波来完成贝叶斯滤波的过程，采用一系列随机采样点来近似目标状态向量的后验概率密度，以样本均值代替贝叶斯滤波的积分计算从而获得波达方向估计状态估计值。
9.根据权利要求8所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述粒子滤波为高斯滤波方式，分为测量更新和时间更新两个阶段，在粒子更新过程中采用更新粒子高斯分布参数的方法。
10.根据权利要求I所述的传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，其特征在于，所述监控中心用于接收多个传声器阵列节点上传的数据，根据传声器阵列节点对目标波达方向的估计结果利用多传感器阵列节点信息融合的方式对目标进行初步的定位，并通过目标初始位置的定位再利用多模型算法对目标进行跟踪。
全文摘要
本发明涉及一种传声器阵列结构可变的低空目标定位与跟踪系统，包括设置在监控区域内的多个传声器阵列节点，所述传声器阵列节点与监控中心实现通讯连接，所述传声阵列节点用于采集监控区域内的声音信号，一旦检测到目标后，对目标声音信号进行分析处理得到目标的波达方向估计，并将估计结果上传至所述监控中心；所述监控中心用于将多个传声器阵列节点的上传数据进行融合处理，得到目标的位置信息。本发明可以实现对监控区域内出现的目标的定位与跟踪，从而实现对低空目标的实时监控管理。
文档编号G01S5/18GK102890267SQ20121034823
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者杨旭光, 江潇潇, 张军, 李双, 赵康, 何为, 胡育昱, 王营冠 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所