專利名稱：一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位方法，尤其涉及一種適用于對(duì)精度要求較高的非配合式目標(biāo)定位場(chǎng)景的基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法。
背景技術(shù)：
目標(biāo)定位技術(shù)在軍事、民用中都有很廣泛的應(yīng)用需求。目標(biāo)定位的一般方法是通過對(duì)目標(biāo)的特征信號(hào)進(jìn)行采集以獲得目標(biāo)位置的相關(guān)參數(shù)估計(jì)，如距離、方位角等，然后通過定位算法將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)位置估計(jì)。目前已有的目標(biāo)定位方法很多，本發(fā)明關(guān)注的是一種基于聲陣列網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)方法。聲陣列網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法具有自主性、全方位性、被動(dòng)探測(cè)等優(yōu)勢(shì)，特別適用于非配合式場(chǎng)景中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的聲陣列網(wǎng)絡(luò)定位方法中，每個(gè)陣列節(jié)點(diǎn)包含若干聲傳感器陣元，通過各陣元接收到的聲信號(hào)的相位差可以估算目標(biāo)聲源到達(dá)陣列的方向角。具體的實(shí)現(xiàn)可通過陣列信號(hào)處理技術(shù)完成，如經(jīng)典的MUSIC算法；再利用基于方位角的目標(biāo)定位算法完成目標(biāo)定位。傳統(tǒng)的聲陣列網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)具有兩種基本體系結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)是多個(gè)固定式的有線陣列組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，陣列中各陣元信號(hào)處理在傳感器端完成，僅上傳信號(hào)處理結(jié)果，即方向角估計(jì)，融合中心端利用各陣列的方向角量測(cè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位；第二種結(jié)構(gòu)是將集成的陣列分散為多個(gè)無線傳感器陣列組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)中各傳感器將接收到的信號(hào)上傳至融合中心端，在融合中心端進(jìn)行陣列信號(hào)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(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)基本體系結(jié)構(gòu)都有各自的不足之處。對(duì)于第一種結(jié)構(gòu)，傳感器端需要進(jìn)行復(fù)雜的陣列信號(hào)處理，實(shí)際實(shí)現(xiàn)難度大、成本較高、運(yùn)算延時(shí)較大，且固定的硬件結(jié)構(gòu)限制了其實(shí)際應(yīng)用，可擴(kuò)展性、使用靈活性均受到了很大的影響；對(duì)于第二種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)難度小、成本低，復(fù)雜運(yùn)算均由計(jì)算能力強(qiáng)大的融合中心完成，運(yùn)算延時(shí)很小，但各傳感器需要將大量的原始采集信號(hào)傳輸至融合中心，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)超負(fù)荷，系統(tǒng)能耗、傳輸延時(shí)均難以達(dá)到要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(diǎn)對(duì)目標(biāo)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)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(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。(4)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置形成多個(gè)虛擬的聲陣列。(5)根據(jù)虛擬聲陣列中各陣元的信號(hào)相位差，估計(jì)聲信號(hào)的到達(dá)方向角。
(6)根據(jù)多個(gè)虛擬聲陣列位置及方向角估計(jì)，完成目標(biāo)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(wǎng)絡(luò)在低功耗的工作場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高精度測(cè)向、定位。尤其是在非配合式目標(biāo)定位中具有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可輕易擴(kuò)展到多目標(biāo)定位。


圖1是本發(fā)明的基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法部署圖； 圖2是本發(fā)明中單目標(biāo)下本方法和原始方法對(duì)目標(biāo)方向角估計(jì)結(jié)果的對(duì)比圖； 圖3是本發(fā)明中多目標(biāo)下本方法和原始方法對(duì)目標(biāo)方向角估計(jì)結(jié)果的對(duì)比圖； 圖4是本發(fā)明中陣元信號(hào)出現(xiàn)部分重構(gòu)失敗的現(xiàn)象圖；圖5是本發(fā)明中陣元信號(hào)出現(xiàn)部分重構(gòu)失敗時(shí)本方法和原始方法對(duì)目標(biāo)方向角估計(jì)結(jié)果的對(duì)比圖；圖6是本發(fā)明中利用方向角估計(jì)的目標(biāo)定位方法數(shù)學(xué)模型圖； 圖7是本發(fā)明中利用方向角估計(jì)的目標(biāo)定位效果圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明專利在原有的聲陣列網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的分散結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用新型的壓縮感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器端對(duì)信號(hào)的邊采樣邊壓縮的功能，降低了傳感器端的采樣負(fù)擔(dān)以及數(shù)據(jù)無線通信的負(fù)擔(dān)，從而使得實(shí)時(shí)、精確的目標(biāo)定位成為可能，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、 實(shí)用性和可擴(kuò)展性。
本發(fā)明基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位系統(tǒng)包括上位機(jī)和若干個(gè)無線聲傳感器簇，無線聲傳感器簇隨機(jī)部署在監(jiān)控區(qū)域中，每簇包含3-5個(gè)傳感器，簇內(nèi)傳感器相距0. 3m-0. 5m，簇間距離根據(jù)目標(biāo)定位精度和監(jiān)控范圍，并綜合傳感器感知半徑考慮，可設(shè)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(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化中實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。系統(tǒng)部署如圖1所示，傳感器與上位機(jī)之間進(jìn)行無線通信。
2、傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行壓縮采集和上傳，包括以下子步驟(1)根據(jù)定位目標(biāo)的聲音信號(hào)特征，對(duì)長(zhǎng)度為η的聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉空間變換，獲取信號(hào)在稀疏空間下的稀疏度，以及隨機(jī)采樣參數(shù)· =作為先驗(yàn)知識(shí)。
(2)根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)確定隨機(jī)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(diǎn)數(shù)。
(3)根據(jù)隨機(jī)采樣次數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的觀測(cè)矩陣。具體為隨機(jī)選取滿足高斯隨機(jī)分布N(0，i)的mXn維多隨機(jī)觀測(cè)矩陣中的m列將子步驟(3)的觀測(cè)矩陣設(shè)計(jì)，讓A/D工作在低速采樣狀態(tài)，在時(shí)刻、2e{l，2…,一時(shí)進(jìn)行采.L 其中τ滿足Nl Η-ι tHm的高斯分布，其余非采樣時(shí)間的采樣值置零得到長(zhǎng)度為η且其中有m個(gè)非零值的采樣信號(hào)，將采樣信號(hào)乘以隨機(jī)觀測(cè)矩陣，從而得到長(zhǎng)度為m的測(cè)量值。
3、根據(jù)上傳數(shù)據(jù)和采集方法，在融合中心段進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。
根據(jù)虛擬無線陣列陣元采集并發(fā)送到數(shù)據(jù)重構(gòu)端的稀疏采樣數(shù)據(jù)，通過求解Ll 凸優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效重構(gòu)。在具體聲陣列信號(hào)重構(gòu)中，利用聲學(xué)信號(hào)在頻域上的稀疏性，利用OMP算法計(jì)算復(fù)雜度小的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的快速重構(gòu)。
4.根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置形成多個(gè)虛擬的聲陣列。
根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻成功上傳數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，在同簇節(jié)點(diǎn)中選取若干節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)虛擬聲陣列，多個(gè)簇形成由多個(gè)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(hào)相位差，估計(jì)聲信號(hào)的到達(dá)方向。
通過各陣元接收到的聲信號(hào)的相位差可以估算目標(biāo)聲源到達(dá)陣列的方向角。具體的實(shí)現(xiàn)可通過陣列信號(hào)處理技術(shù)完成，利用經(jīng)典的MUSIC算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)角度的估計(jì)， 針對(duì)OMP算法在信號(hào)重構(gòu)中存在重構(gòu)失敗的問題，通過比較各陣元間信號(hào)的相似性，自適應(yīng)地剔除重構(gòu)失敗的陣元信號(hào)，將重構(gòu)成功的陣元組成新的無線隨機(jī)陣列進(jìn)行信號(hào)到達(dá)角度的估計(jì)。圖2和圖3分別顯示了單目標(biāo)和多目標(biāo)情況下原始方法和本方法下信號(hào)方向角估計(jì)結(jié)果對(duì)比。圖4顯示了在8個(gè)獨(dú)立陣元重構(gòu)信號(hào)中即使其中多個(gè)陣元信號(hào)出現(xiàn)重構(gòu)失敗，依然能夠得到如圖5所示的方向角估計(jì)效果對(duì)比。
6.根據(jù)多個(gè)虛擬聲陣列位置及方向角估計(jì)，完成目標(biāo)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(jì)，形成與傳統(tǒng)聲陣列網(wǎng)絡(luò)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(biāo)位置，S = U^1J為節(jié)點(diǎn)i的位置，P為節(jié)點(diǎn)估計(jì)出的目標(biāo)方向角。利用基于方向角的目標(biāo)偽線性定位算法可得目標(biāo)位置估計(jì)，公式如下其中成約
權(quán)利要求
1.一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(diǎn)對(duì)目標(biāo)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)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(jìn)行信號(hào)重構(gòu)；根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置形成多個(gè)虛擬的聲陣列；根據(jù)虛擬聲陣列中各陣元的信號(hào)相位差，估計(jì)聲信號(hào)的到達(dá)方向角；根據(jù)多個(gè)虛擬聲陣列位置及方向角估計(jì)，完成目標(biāo)定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(biāo)的聲音信號(hào)特征，根據(jù)壓縮感知理論，針對(duì)聲信號(hào)在傅里葉空間中的稀疏性，獲取目標(biāo)聲信號(hào)的稀疏度r作為先驗(yàn)知識(shí)，并確定隨機(jī)采樣參數(shù) =其中采樣點(diǎn)數(shù)為《 ；(2)根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)確定隨機(jī)稀疏采樣的平均頻率，設(shè)傳統(tǒng)的基于奈奎斯特采樣的采樣頻率為f采樣點(diǎn)數(shù)為，則本方法的采樣頻率為，乂，<<1)；ηη η(3)根據(jù)隨機(jī)采樣參數(shù).構(gòu)建相應(yīng)的觀測(cè)矩陣，并根據(jù)壓縮感知理論對(duì)原始信號(hào)通過觀測(cè)矩陣進(jìn)行隨機(jī)投影；具體為隨機(jī)選取滿足高斯隨機(jī)分布Ν(0,1)的mXn維隨機(jī)觀測(cè)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(jī)投影環(huán)節(jié)對(duì)硬件隨機(jī)數(shù)生成器及其同步精度的要求；(4)根據(jù)觀測(cè)矩陣對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行稀疏采樣，并直接將降維的采樣數(shù)據(jù)從本地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)重構(gòu)端，具體為根據(jù)子步驟(3)的觀測(cè)矩陣設(shè)計(jì)，讓A/D工作在低速采樣狀態(tài)，將采樣信號(hào)乘以隨機(jī)觀測(cè)矩陣，從而得到長(zhǎng)度為m的測(cè)量值；同時(shí)為保證采樣時(shí)間間隔小于 A/D的采樣保持時(shí)間，可以選取滿足均勻分布的隨機(jī)采樣，其余非采樣時(shí)間的采樣值置零，最后得到長(zhǎng)度為η且其中有m個(gè)非零值的采樣信號(hào)；采樣間隔為滿足Ν(1，#)的高斯分m η布，在時(shí)刻‘MUM時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)滿足高斯分布的均勻降速采樣，Tabc為A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(gòu)端的稀疏采樣數(shù)據(jù)，通過求解Ll凸優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效重構(gòu)；在具體聲陣列信號(hào)重構(gòu)中，利用聲學(xué)信號(hào)在頻域上的稀疏性，利用OMP算法計(jì)算復(fù)雜度小的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的快速重構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻成功上傳數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，在同簇節(jié)點(diǎn)中選取若干節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)虛擬聲陣列，多個(gè)簇形成由多個(gè)虛擬聲陣列組成的系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(hào)的相位差可以估算目標(biāo)聲源到達(dá)陣列的方向角；具體的實(shí)現(xiàn)可通過陣列信號(hào)處理技術(shù)完成，利用經(jīng)典的MUSIC算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)角度的估計(jì)，針對(duì)OMP算法在信號(hào)重構(gòu)中存在重構(gòu)失敗的問題，在同一個(gè)簇中通過比較各陣元間信號(hào)的相似性，識(shí)別重構(gòu)失敗的陣元并自適應(yīng)地剔除陣元，最后將重構(gòu)成功的陣元組成新的無線隨機(jī)陣列進(jìn)行信號(hào)到達(dá)角度的估計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)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(jì)，形成與傳統(tǒng)聲陣列網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)相似的定位模型，并利用基于方向角的目標(biāo)偽線性定位算法可得目標(biāo)位置估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于信號(hào)相位差的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法，該方法中傳感器進(jìn)行低功耗、隱蔽性強(qiáng)的被動(dòng)式測(cè)量，即對(duì)目標(biāo)自身輻射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，基于信號(hào)相位差的定位方式能夠有效避免由于目標(biāo)信號(hào)能量及傳播模型未知的困難，在實(shí)際系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和抗干擾性，同時(shí)該方法有效利用壓縮采樣原理降低傳感器端信號(hào)采集速率及無線數(shù)據(jù)上傳量，從而易于在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；尤其適用于精度要求較高的非配合式目標(biāo)定位場(chǎng)景。
文檔編號(hào)G01S1/76GK102540137SQ20111044658
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者余愷, 劉薇, 李元實(shí), 王智 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)