[发明专利]基于声音信号到达时间差的最小二乘测向方法

说明书

技术领域

本发明涉及地面目标声测定位技术领域，尤其涉及基于声音信号到达时间差的最小二乘测向方法。

背景技术

军事行动经常需要确定对方武器发射系统或已方炸点的位置。一种常见方法是采集这种瞬时性脉冲声波信号，通过部署在不同位置的声音传感器(俗称麦克风)构成阵列，检测声波抵达传感器的到达时间差，采用定位算法估计声源位置。最近国内外研制出一些基于声音信号到达时间差的枪声定位系统，类似的声测系统在反恐安全、战场探测和其他领域具有重要应用背景。

通常定位技术包括测向(定向)和测距(定距)两种方式。当枪声、炮声和炸点等脉冲声波抵达传感器的距离很远时，人们难以直接通过双曲线交叉方法精确估计声源坐标。如果在不同位置分散部署多个阵列，利用各阵列分别估计波达方向，再将所得方位估计进行三角交叉可定位声源坐标。一般阵列内部传感器之间相隔数十米甚至几米，采用有线或无线方式联接，其时间同步精度越高越好。一般人们将某时刻声波振动所传播到的各点所连结成的曲面称为波阵面。

基于声音信号到达时间差的测向就是利用不同位置的传感器所接收到的平面波之间时间差来估计波达方向。波达方向估计也称作测向或方向发现，主要包括以下三类方法：①波束形成；②高分辨子空间；③到达时间差。波束形成和子空间方法需要集中方向搜索，计算量大。相对而言，到达时间差法计算量小、易于实现，且只要求传感器之间时间同步，因而实用性较强。

如果目标信号是瞬时性的，人们通过软硬件系统设计可直接测量脉冲信号的到达时间差，这在信号处理时间方面具有实时性优点。另外由于瞬时信号特征是未知的，仅能测量相对的时延值，因而不适宜采用波束形成方法。因此，基于声音信号到达时间差的测向技术是传感器阵列实现脉冲声源测向的首选方案。目前已有多种技术可从阵列信号提取到达时间差，如互相关法和最大峰值法等。

在现有技术中，主要有如下几种基于声音信号到达时间差的测向方法：

(1)针对固定对称结构的声音传感器阵列对信源进行测向，由于阵列结构是固定且对称的，因而可以建立一组方程，利用三角函数关系来求解三维空间中信源的方位角和俯仰角。这种方法的优点是计算简单，缺点是阵列结构和尺寸不能再改变。

(2)传统的基于线性最小二乘原理的到达时间差测向方法。这种方法的优点是简捷、易操作，但忽略了在存在测量噪声的情况下，波达方向估计值的三个分量之间具有非线性约束关系，未考虑方向变量之间的约束性，影响测向精度。

(3)根据不同传感器和信源估计位置之间由三角形余弦定理确定的几何约束关系，构建了非线性约束的定位优化模型，通过拉格朗日法转化为无约束的优化问题，采用贯序二次规划法来求解拉格朗日乘子和误差量，需要计算海森矩阵，计算过程比较繁杂。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明提供一种基于声音信号到达时间差的最小二乘测向方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于声音信号到达时间差的最小二乘测向方法，包括如下步骤：

声音传感器部署步骤：

在所需的区域内部署声音传感器阵列，设定其中一个声音传感器为基准传感器；

基础数据采集步骤：

获取各声音传感器之间的距离和角度值，并转换为各声音传感器三维坐标；利用所述声音传感器阵列采集声音信号；

到达时间差估计步骤：

根据采集的声音信号，先滤除脉冲声波中的环境噪声，再以基准传感器作为测量时间基准，采用传统的波峰差值法或互相关法，估计出各传感器相对于所述基准传感器到达时间差；

声音信源方向计算步骤：

(1)根据线性最小二乘测向法自变量之间存在的约束关系，粗略估计三维空间的声波方向涉及声源的方位角和俯仰角；

(2)计算确定拉格朗日乘子的数值；

(3)构建基于声音信号到达时间差的非线性约束优化测向模型，采用拉格朗日乘子法求解该模型，得到包含三个子元素的声音信源方向矢量估计值。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明提供的测向方法在方位角和俯仰角估计的精度方面，都要优于传统的估计方法，特别是俯仰角的估计精度表现更为突出。

(2)传统的线性最小二乘测向技术没有考虑三维空间方向变量之间存在的约束关系，本发明通过设计测向技术的约束规划模型，并采用拉格朗日法来求解这种约束规划模型，在不增加计算量的情况下仍可以提高估计精度。

附图说明