本發(fā)明涉及傳感
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于聲強(qiáng)探測(cè)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：低慢小目標(biāo)是低空慢速小目標(biāo)的簡稱，是指飛行高度在1km以下、飛行時(shí)速小于200km、雷達(dá)反射面積小于2m2的各種小型航空器或空中漂浮物。現(xiàn)有技術(shù)難以利用單一探測(cè)手段對(duì)低慢小目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的有效探測(cè)和監(jiān)控。低慢小目標(biāo)的探測(cè)是典型的復(fù)雜信息系統(tǒng)，是當(dāng)前國際范圍內(nèi)的技術(shù)難題。隨著我國低空空域的開放，對(duì)低慢小目標(biāo)的監(jiān)管與防范成為亟待解決的問題，因此對(duì)其探測(cè)并攔截具有重要意義，而探測(cè)又是攔截的前提。傳統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)方法雖已比較完善，但低慢小目標(biāo)具有飛行高度低、運(yùn)動(dòng)速度慢、散射強(qiáng)度弱等特點(diǎn)，這給目標(biāo)探測(cè)帶來很大困難。在上述強(qiáng)約束條件下，如何構(gòu)建有效的探測(cè)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)低慢小目標(biāo)的精確探測(cè)具有較大難度。現(xiàn)有的低慢小目標(biāo)探測(cè)多基于紅外光學(xué)傳感器或雷達(dá)，上述方法成本較高、精度有限、難以大面積推廣使用。因此，亟需一種成本低、探測(cè)精度高、工程應(yīng)用性強(qiáng)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法及系統(tǒng)來解決上述問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供的基于聲強(qiáng)探測(cè)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法及系統(tǒng)簡便易行、成本低廉、探測(cè)精度高、適于在工程應(yīng)用中大面積推廣。本發(fā)明一方面提供一種基于聲強(qiáng)探測(cè)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法，包括步驟：S1.在目標(biāo)飛行區(qū)域下方布置處于一個(gè)平面的至少3個(gè)探測(cè)單元；S2.當(dāng)目標(biāo)逼近時(shí)，每個(gè)探測(cè)單元獲取與目標(biāo)最接近時(shí)的時(shí)刻，作為過零點(diǎn)時(shí)刻；S3.根據(jù)每個(gè)探測(cè)單元獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算目標(biāo)在所述平面的投影速度。優(yōu)選地，所述至少3個(gè)探測(cè)單元具體為4個(gè)探測(cè)單元；以及所述4個(gè)探測(cè)單元包括從目標(biāo)向所述平面觀察依次沿順時(shí)針排列的第一探測(cè)單元、第二探測(cè)單元、第四探測(cè)單元及第三探測(cè)單元；所述4個(gè)探測(cè)單元組成第一四邊形。優(yōu)選地，第一四邊形為正方形；以及所述方法還包括：以第三探測(cè)單元指向第四探測(cè)單元的方向作為x軸正向、第四探測(cè)單元指向第二探測(cè)單元的方向作為y軸正向建立平面直角坐標(biāo)系。優(yōu)選地，步驟S3具體為：根據(jù)每個(gè)探測(cè)單元獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻，利用公式1計(jì)算目標(biāo)在所述平面的投影速度；其中，vxoy為目標(biāo)在所述平面的投影速度，t1、t2、t3、t4分別為第一探測(cè)單元、第二探測(cè)單元、第三探測(cè)單元、第四探測(cè)單元獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻，l為第一四邊形的邊長。優(yōu)選地，探測(cè)單元為聲音傳感器。優(yōu)選地，所述方法還包括：將聲音傳感器獲取的噪聲幅度最大時(shí)的時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻。優(yōu)選地，聲音傳感器在過零點(diǎn)時(shí)刻前獲取的噪聲頻率大于其在過零點(diǎn)時(shí)刻后獲取的噪聲頻率。本發(fā)明另一方面提供一種低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)系統(tǒng)，包括：探測(cè)模塊，其包含處于一個(gè)平面的至少3個(gè)聲音傳感器，布置在目標(biāo)飛行區(qū)域下方；所述聲音傳感器用于當(dāng)目標(biāo)逼近時(shí)，獲取噪聲幅度最大時(shí)的時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻；速度計(jì)算模塊，用于根據(jù)每個(gè)聲音傳感器獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算目標(biāo)在所述平面的投影速度。優(yōu)選地，所述探測(cè)模塊包括處于該平面的、組成第一正方形的、從目標(biāo)向所述平面觀察依次沿順時(shí)針排列的第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、第四聲音傳感器及第三聲音傳感器。優(yōu)選地，所述根據(jù)每個(gè)聲音傳感器獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算目標(biāo)在所述平面的投影速度具體為：根據(jù)每個(gè)聲音傳感器獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻，利用公式2計(jì)算目標(biāo)在所述平面的投影速度；其中，vxoy為目標(biāo)在所述平面的投影速度，T1、T2、T3、T4分別為第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、第三聲音傳感器、第四聲音傳感器獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻，l為第一正方形的邊長。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明采用少量探測(cè)單元即可實(shí)現(xiàn)低慢小目標(biāo)飛行速度的精確探測(cè)，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，適于在工程應(yīng)用中大面積推廣，較為成功地解決了困擾本領(lǐng)域多年的低慢小目標(biāo)探測(cè)問題。附圖說明圖1是本發(fā)明的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的探測(cè)單元布置示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的投影速度計(jì)算第一示意圖；圖4是本發(fā)明的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)系統(tǒng)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的投影速度計(jì)算第二示意圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細(xì)節(jié)僅僅是為了使讀者對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面有一個(gè)透徹的理解，即便沒有這些特定的細(xì)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些方面。本發(fā)明的發(fā)明人考慮到傳統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)方法雖已比較完善，但對(duì)具有飛行高度低、運(yùn)動(dòng)速度慢、散射強(qiáng)度弱等特點(diǎn)的低慢小目標(biāo)，難以提供兼顧精度與成本的方法。具體而言，現(xiàn)有的低慢小目標(biāo)探測(cè)多基于紅外光學(xué)傳感器和雷達(dá)，其成本較高、精度有限、難以大面積推廣使用。基于上述考慮，本發(fā)明的發(fā)明人創(chuàng)造性地采用少量探測(cè)單元，獲得目標(biāo)與探測(cè)單元的最近點(diǎn)時(shí)刻，通過多個(gè)探測(cè)單元的位置差異及各自的最近點(diǎn)時(shí)刻，求得目標(biāo)軌跡在傳感器平面的投影速度，從而得到目標(biāo)軌跡的飛行速度。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)低慢小目標(biāo)飛行速度的精確探測(cè)，且成本較低、易于實(shí)現(xiàn)、適于在工程應(yīng)用中大面積推廣。圖1示出了本發(fā)明的基于聲強(qiáng)探測(cè)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法，參見圖1，此方法按照如下步驟執(zhí)行：首先，在步驟S1中，在目標(biāo)飛行區(qū)域下方布置至少3個(gè)探測(cè)單元，上述探測(cè)單元分布一個(gè)平面。之后，在步驟S2中，當(dāng)目標(biāo)逼近時(shí)，每個(gè)探測(cè)單元獲取與目標(biāo)最接近時(shí)的時(shí)刻，將其作為過零點(diǎn)時(shí)刻。接著，在步驟S3中，根據(jù)每個(gè)探測(cè)單元獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算目標(biāo)在上述平面的投影速度，從而得到目標(biāo)的飛行速度。根據(jù)上述步驟，本發(fā)明采用最少3個(gè)探測(cè)單元即可完成低慢小目標(biāo)飛行速度的探測(cè)。采用3個(gè)探測(cè)單元計(jì)算投影速度的具體過程如圖5所示：參見圖5，圖中的1、2、3分別為處于上述平面的三個(gè)探測(cè)單元的幾何中心；NM為目標(biāo)飛行軌跡在該平面的投影；N1、N2、N3分別為1、2、3在NM的投影，即1、2、3距離NM的最近點(diǎn)。1、3的連線與NM的夾角為θ；1、2、3組成了一個(gè)三角形：1、2之間的邊長是a，2、3之間的邊長為b，1、3之間的邊長為c，3所在的內(nèi)角為θ0。根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境，可以合理假設(shè)目標(biāo)的飛行軌跡平行或接近平行于該平面，另設(shè)目標(biāo)在該平面的投影速度為v0，探測(cè)單元1、2、3獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻分別為t01、t02、t03，易知：求解公式3，即可得到目標(biāo)在該平面的投影速度v0，從而得到目標(biāo)的飛行速度。上述計(jì)算并未考慮1、2、3共線的情形，但此情形與上述計(jì)算過程類似，因此不再贅述。在實(shí)際應(yīng)用中，上述方法的計(jì)算過程較為復(fù)雜，因此，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，采用4個(gè)探測(cè)單元來進(jìn)行探測(cè)。圖2示出了上述4個(gè)探測(cè)單元的分布狀態(tài)，參見圖2，4個(gè)探測(cè)單元分布在xoy平面，第一探測(cè)單元11、第二探測(cè)單元12、第三探測(cè)單元13及第四探測(cè)單元14組成第一四邊形。另外，從處于平面上方的目標(biāo)向平面xoy觀察，第一探測(cè)單元11、第二探測(cè)單元12、第四探測(cè)單元14、第三探測(cè)單元13依次沿順時(shí)針排列。顯然，這種設(shè)計(jì)能夠以類似于公式3的方式獲取目標(biāo)的飛行速度，其具體計(jì)算過程此處不再贅述。較佳地，為了降低成本，將探測(cè)單元設(shè)置為成本較低的聲音傳感器。聲音探測(cè)器的工作原理是：空中目標(biāo)在飛行時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)體與空氣磨擦、噴流與空氣相互作用、槳葉拍打空氣等原因會(huì)向外輻射噪聲，小型飛行目標(biāo)聲譜特征主要集中在100～1000Hz。當(dāng)小型飛行目標(biāo)接近聲音傳感器時(shí)，噪聲信號(hào)強(qiáng)度加大；當(dāng)小型飛行目標(biāo)距離聲音傳感器最近時(shí)，噪聲信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)小型飛行目標(biāo)遠(yuǎn)離聲音傳感器時(shí)，噪聲信號(hào)強(qiáng)度變小。同時(shí)，小型飛行目標(biāo)在接近、遠(yuǎn)離聲音傳感器時(shí)，噪聲頻譜會(huì)因?yàn)槎嗥绽招?yīng)產(chǎn)生頻偏。因此通過聲音傳感器接收的噪聲信號(hào)的強(qiáng)度和頻偏情況，可以獲得小型飛行目標(biāo)距離聲音傳感器最近點(diǎn)的時(shí)刻，該時(shí)刻的特征是：100～1000Hz頻段的噪聲幅值為峰值，且峰值前面時(shí)刻的噪聲頻率高于峰值后面時(shí)刻的噪聲頻率。這樣，當(dāng)多個(gè)聲音傳感器布設(shè)在空間不同位置時(shí)，可以獲得多個(gè)過零點(diǎn)時(shí)刻，利用上述多個(gè)過零點(diǎn)時(shí)刻能夠?qū)δ繕?biāo)飛行軌跡的投影速度進(jìn)行解算?；谏鲜隹紤]，在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明將聲音傳感器獲取的噪聲幅度最大時(shí)的時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻。更優(yōu)地，將100～1000Hz頻段的噪聲幅度最大時(shí)的時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻。同時(shí)，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，聲音傳感器在過零點(diǎn)時(shí)刻前獲取的噪聲頻率大于其在過零點(diǎn)時(shí)刻后獲取的噪聲頻率。由此實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)時(shí)刻更為準(zhǔn)確的提取。上述計(jì)算方法中的四邊形是任意設(shè)置，仍然不利于計(jì)算的簡化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，將上述第一四邊形設(shè)置為邊長為l的正方形以簡化運(yùn)算，提高探測(cè)精度。4個(gè)傳感器的布置如圖2所示，以第一四邊形的中心為原點(diǎn)，以第三探測(cè)單元13、第四探測(cè)單元14的連線為x軸正向，以第四探測(cè)單元14、第二探測(cè)單元12的連線為y軸正向，則第一到第四探測(cè)單元幾何中心的坐標(biāo)為(-l/2，l/2)、(l/2，l/2)、(-l/2，-l/2)、(l/2，-l/2)，目標(biāo)飛行軌跡在平面xoy的投影與y軸正向的夾角為α。圖3為根據(jù)上述設(shè)置實(shí)現(xiàn)的平面xoy投影速度計(jì)算示意圖，參見圖3，O1、O2、O3、O4分別為第一探測(cè)單元到第四探測(cè)單元的幾何中心。目標(biāo)飛行軌跡在平面xoy的投影為AB，M1、M2、M3、M4分別為O1、O2、O3、O4距離AB的最近點(diǎn)，第一探測(cè)單元到第四探測(cè)單元采集的過零點(diǎn)時(shí)刻為處于同一時(shí)間坐標(biāo)的t1、t2、t3、t4，目標(biāo)在平面xoy的投影速度為vxoy。由圖3所示的幾何關(guān)系易知：vxoy(t4-t1)=2lcos(π4-α)vxoy(t3-t2)=2lsin(π4-α)]]>求解上述方程組，可得：至此，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)飛行速度的探測(cè)。通過上述過程，本發(fā)明通過4個(gè)聲音傳感器實(shí)現(xiàn)了低慢小目標(biāo)飛行速度的精確探測(cè)，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，適于在工程應(yīng)用中大面積推廣。進(jìn)一步，以類似的方式在目標(biāo)的飛行區(qū)域布置多組聲音傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠精確探測(cè)目標(biāo)的全程飛行速度，為下一步的攔截、防范及監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。圖4示出了本發(fā)明的基于聲強(qiáng)探測(cè)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)系統(tǒng)，參見圖4，其包括探測(cè)模塊101與速度計(jì)算模塊102。下邊分別具體介紹：探測(cè)模塊101包含處于一個(gè)平面的至少3個(gè)聲音傳感器，布置在目標(biāo)飛行區(qū)域下方。上述聲音傳感器用于當(dāng)目標(biāo)逼近時(shí)，獲取噪聲幅度最大時(shí)的時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻。作為一個(gè)優(yōu)選方案，聲音傳感器將100～1000Hz頻段的噪聲幅度最大時(shí)的時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻。同時(shí)，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，聲音傳感器在過零點(diǎn)時(shí)刻前獲取的噪聲頻率大于其在過零點(diǎn)時(shí)刻后獲取的噪聲頻率。由此實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)時(shí)刻更加準(zhǔn)確的提取。速度計(jì)算模塊102用于根據(jù)每個(gè)聲音傳感器獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算目標(biāo)在上述平面的投影速度。具體計(jì)算方法與前述公式3類似，此處不再詳述。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，探測(cè)模塊101包括處于該平面的4個(gè)聲音傳感器。具體而言，4個(gè)聲音傳感器為第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、第三聲音傳感器、第四聲音傳感器，四者組成第一正方形。而且，從目標(biāo)向該平面觀察，第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、第四聲音傳感器及第三聲音傳感器依次沿順時(shí)針排列。作為一個(gè)優(yōu)選方案，速度計(jì)算模塊102利用公式2計(jì)算目標(biāo)在該平面的投影速度：其中，vxoy為目標(biāo)在該平面的投影速度，T1、T2、T3、T4分別為第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、第三聲音傳感器、第四聲音傳感器獲取的過零點(diǎn)時(shí)刻，l為第一正方形的邊長。具體應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境在樓頂、路燈頂端布置聲音傳感器。同時(shí)，可以每隔一定距離布置一組探測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的全程監(jiān)控。本發(fā)明提供的基于聲強(qiáng)探測(cè)的低慢小目標(biāo)飛行速度探測(cè)方法及系統(tǒng)通過在樓頂、路燈等頂端布設(shè)多個(gè)低成本的聲音傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，便捷地對(duì)空中各種低慢小目標(biāo)在傳感器所在平面的投影速度進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)在防區(qū)內(nèi)大量布設(shè)上述傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)低慢小目標(biāo)的飛行速度的全程監(jiān)測(cè)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，如：ROM/RAM、磁碟、光盤等。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3