基于聲陣列定位系統(tǒng)的時差信息提取方法的研究

作者  邵云峰 韓焱 中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所(山西 太原 030051)

*基金項(xiàng)目 : 國家自然科學(xué)基金(編號：60772102);國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(編號：9140c1204040908);國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(編號：9140c12040051010)

　　邵云峰(1990-)，男，碩士，研究方向：信號處理與定位算法，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微震信息探測;韓焱，男，教授，研究方向：信號與信息處理、精密儀器及機(jī)械、信息處理與重建等。

摘要：基于地震動信號的可穿戴式被動聲探測系統(tǒng)具備體積小巧、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。該研究采用地面走動信號的目標(biāo)定位技術(shù)設(shè)計(jì)了鞋底聲傳感器探測陣列及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了陣列信號的獲取、分析和處理，介紹了目標(biāo)定位的方法及時延估計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的預(yù)處理與時延估計(jì)的Matlab程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了陣列延時的檢測，針對時延估計(jì)不準(zhǔn)確的問題，從系統(tǒng)、算法精度以及頻域分析等方面做了分析，提出了改進(jìn)的方向。

引言

　　在科技飛速進(jìn)步，信息即是財(cái)富的時代，信息的地位日趨重要。軍事專家們預(yù)言：21世紀(jì)的戰(zhàn)爭將是一場別開生面的信息戰(zhàn)?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/地震動信號">地震動信號的地面被動偵察^[1]在復(fù)雜的地形條件下，甚至在嚴(yán)密偽裝的情況下仍能充分發(fā)揮其作用，這正是光學(xué)、無線電等現(xiàn)代監(jiān)視技術(shù)的盲區(qū)，尤其是被動聲探測技術(shù)^[2]。

　　但在特殊情況下，如大風(fēng)等惡劣天氣或在植被非常茂盛的地方，聲的傳播特性就會受到很大影響，致使聲探測系統(tǒng)無法正常工作。因此，研究基于地面震動信號^[3]的偵察技術(shù)具有非常重要的價(jià)值。

　　地震動信號較其他的被動偵察信號不同，其信噪比較差，受環(huán)境影響較大，但由于地震動探測具有可全天候值守、抗電磁干擾能力強(qiáng)、功耗低、隱蔽性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，作為一種重要的被動偵察手段，其地位的不可小覷。而基于地震動信號的可穿戴式被動聲探測系統(tǒng)因其體積小巧、方便攜帶，并且可使穿戴者根據(jù)情況迅速做出反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，正日趨受到廣泛的關(guān)注。

1 定位原理與傳感器布設(shè)

1.1 定位原理

　　聲源位置與傳感器的平面分布圖如圖1，聲源定位的基本原理是：傳感器陣列中每個傳感器距聲源的距離是不一樣的，因此，聲源發(fā)出聲音后，傳感器陣列中每個傳感器采集到的信號會存在時間差，此時間差乘以聲音在介質(zhì)中的傳播速度可求出距離差，5個傳感器中每3個傳感器可以確定出2個距離差，據(jù)此我們可以列方程算出聲源的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)聲源的定位。

1.2 傳感器布設(shè)

　　為了實(shí)現(xiàn)全方位信號探測，在鞋底上布設(shè)5個傳感器，前腳掌布設(shè)4個傳感器，呈菱形分布(前腳掌每個傳感器之間相距5cm)，后腳掌布設(shè)一個傳感器，距前腳掌最后面的那個傳感器距離為12cm，并對傳感器編號，如圖2所示。

2 目標(biāo)定位與時延估計(jì)方法

　　目前，目標(biāo)定位方法主要分為有源定位和無源定位^[4]。有源定位就是利用雷達(dá)、激光等有源設(shè)備來對目標(biāo)進(jìn)行定位，但其存在容易暴露、能耗較高的弊端。無源定位是通過對目標(biāo)自身產(chǎn)生的輻射源信號的接收和處理，提取目標(biāo)的距離、方位、航跡等信息。無源定位克服了有源定位的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的方向是采用通過多地震動傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的方法，屬于無源定位方法。

　　目前，無源定位算法中目標(biāo)定位[5-8]方法主要有基于到達(dá)時間(TOA)、到達(dá)時間差(TDOA)和接收信號強(qiáng)度或能量(RSSI)法。TOA技術(shù)算法簡單，但是要求移動目標(biāo)和節(jié)點(diǎn)始終精確同步，易受多徑傳播和噪聲的干擾。RSSI技術(shù)較簡單，近距離精度高，受環(huán)境影響較大，室外遠(yuǎn)距離定位精度較差。

　　時延估計(jì)^[9-10]是數(shù)字信號處理中一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。在雷達(dá)、語音信號處理、地球勘探等領(lǐng)域都有較廣泛的應(yīng)用。

　　直接互相關(guān)算法計(jì)算簡單，要求信號、噪聲互不相關(guān);廣義互相關(guān)相當(dāng)于對信號進(jìn)行了白化處理，抑制噪聲當(dāng)信噪比較低時誤差較大;互雙譜算法對背景噪聲不敏感，可以抑制空間噪聲，不適合非高斯造聲的情形，且信號序列要足夠長，計(jì)算量和估計(jì)方差較大。

　　直接互相關(guān)時延估計(jì)是通過對兩信號直接做互相關(guān)處理，然后進(jìn)行峰值檢測來估計(jì)時延。廣義互相關(guān)時延估計(jì)與基本互相關(guān)類似，但其在小信噪比時，按平方加權(quán);在大信噪比時，按信噪比加權(quán)。相當(dāng)于對信號進(jìn)行了白化處理，一定程度上抑制了噪聲。

3 信號處理

3.1 信號預(yù)處理

　　采集獲取的傳感器信號混有大量的噪聲，因此需對其進(jìn)行預(yù)處理。本設(shè)計(jì)基于中值濾波器優(yōu)良的抑制噪聲的特點(diǎn)，首先對采集到的信號進(jìn)行中值濾波處理，以便濾除毛刺。

　　中值濾波之后，為了便于數(shù)據(jù)處理，需要截取出采集到信號的有用部分，通過觀察采集到的信號可知，有用信號的幅值遠(yuǎn)大于噪聲的幅值。由正態(tài)分布的性質(zhì)可知，如果X服從正態(tài)分布，則：

　　其中，指的是正態(tài)分布的均值，指的是正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，因此我們?nèi)?shù)據(jù)的均值加3倍的標(biāo)準(zhǔn)差的值作為閾值，據(jù)此截取出信號的有用部分。

3.2 直接相關(guān)法時延估計(jì)

　　表1是用直接相關(guān)法算出的時延。接下來我們根據(jù)坐標(biāo)位置，算出理論上每兩個傳感器到聲源的距離差，用此距離差除以估計(jì)出的時延，求出速度，圖4是用估計(jì)出的時延算出的理論速度，將其與聲速進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)我們用估計(jì)出的時延算出的速度和聲速相差太大，造成這種結(jié)果的原因可能是因?yàn)樾盘栔g相關(guān)性較強(qiáng)，致使估計(jì)出的時延不準(zhǔn)確。因此，我們采用廣義相關(guān)算法估計(jì)時延。

3.3 用廣義互相關(guān)算法估計(jì)時延

　　在這里使用PHAT加權(quán)進(jìn)行時延估計(jì)。表2是我們用PHAT加權(quán)估計(jì)出的時延值，圖5是用根據(jù)估計(jì)出的時延算出的理論速度，將其與聲速進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)算出的10個速度值中有5個和聲速在一個數(shù)量級上。觀察圖形可判斷出，使用算法估計(jì)出的時延值要比直接互相關(guān)估計(jì)出的時延值準(zhǔn)確，10個速度值中有5個與聲速不在一個數(shù)量級上，造成這種結(jié)果的原因可能是在測量坐標(biāo)點(diǎn)位置時人為造成的誤差，也有可能是由于多徑效應(yīng)造成的。

4 結(jié)果分析

　　對截取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，其幅頻特性曲線如圖6所示，從圖中可以看出信號頻率成分較為復(fù)雜，造成這種結(jié)果的原因可能是多徑效應(yīng)^[11]的影響。從圖中可以看出信號頻率主要集中在兩個頻段：970Hz~1600Hz，3330Hz~3880Hz，假設(shè)需要的信號是一個單頻成分，那么就需要對信號在整個頻段上進(jìn)行窄帶濾波，返回時域看其波形并進(jìn)行分頻時延估計(jì)，從中找出我們需要的信號，并進(jìn)行后續(xù)分析。

　　用信號發(fā)生器對音箱輸入1kHz，20V峰峰值的正弦信號，將音箱放到點(diǎn)(-5m,0)坐標(biāo)點(diǎn)上，采樣頻率為225kHz，圖7是采集到其中一個通道信號的時域波形，圖8是其幅頻特性曲線圖。結(jié)合上述三張圖可以看出采集到的信號并不是一個頻率單一的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，圖9和圖10是對其幅頻特性曲線中強(qiáng)度(50Hz左右，1950Hz左右)最大的兩個干擾的放大圖，這兩個干擾和1kHz信號的強(qiáng)度相差一個數(shù)量級，不能被忽略，造成這種結(jié)果的原因可能是由于多徑效應(yīng)引起的，也有可能是環(huán)境中的交流干擾造成的，因此需要進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　通過對比圖6和圖8可發(fā)現(xiàn)，我們采集到的信號受到的干擾要比采集一個單頻聲音信號受到的干擾多，從圖6我們可以看出強(qiáng)度最大的兩個峰值分別是45dB和50dB，圖9和圖10分別是對兩個峰值取下降15dB部分的放大圖，從圖中可以看出，第一個峰值處衰減15dB后，頻段集中在1250Hz~1450Hz，第二個峰值處衰減15dB后頻段集中在3250Hz~3650Hz，編一個FIR模擬帶通濾波器對以上兩個頻段進(jìn)行濾波，圖11和圖12分別是對兩個頻段作帶通濾波后的時域波形。和圖3進(jìn)行對比后，發(fā)現(xiàn)第二個峰值衰減15dB的部分比第一個峰值衰減15dB的部分與需要的信號的相似度高，說明第二個峰值衰減15dB的部分中所含的信號的有用部分比第一個峰值衰減15dB的部分包含的多。

5 結(jié)論

　　本研究是在被動聲定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用到軍事及民用中，成為定位技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)背景下展開的，主要是針對被動聲定位技術(shù)中的目標(biāo)定位方法和時延估計(jì)算法進(jìn)行了研究。完成了信號的預(yù)處理的相關(guān)程序設(shè)計(jì)，對信號進(jìn)行了中值濾波，截取出了信號的有用部分，方便信號的后續(xù)處理;完成了時延估計(jì)算法的程序?qū)崿F(xiàn)，對結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)的方向。還有以下幾方面需要改進(jìn)：對時延估計(jì)算法的進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn);針對算法計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，應(yīng)對信號分頻段估計(jì)時延，從中找出需要的信號，從而實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確地時延估計(jì)。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第29頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。