CN100350263C - 分布式传感器网络中到达时间差的确定 - Google Patents

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Abstract

目标定位系统，包括处于不同位置的传感器设备，每个设备能够探测来自目标的信号，以及控制装置，响应于传感器设备的输出，用于重复选择设备的子集并确定子集的设备接收到信号的时刻相对于彼此被延迟的量，从而能够进行目标当前位置的计算。每个传感器设备可在主模式和从模式两种模式间切换，在主模式下，设备可操作用于传送来自目标的信号得到的事件，在从模式下，设备响应于来自另一个传感器设备的这种事件，用于处理其自身的信号以便于确定各个设备中传感器的信号接收之间的时间延迟。

Description

分布式传感器网络中到达时间差的确定
技术领域
本发明涉及用以确定多个信号之间的相对时间延迟的方法和设备，更具体且不具排它性地应用于一种分布式无源传感器网络，该网络设计用于通过探测宽带信号间的延迟来探测和定位非协同的声学能量源。
背景技术
很多环境中需要探测、识别、定位和跟踪某些指定监视区域中的一个或多个非协同的关注目标。这种任务可通过适当的有源或无源传感器来执行，这些传感器能够通过对由目标反射和发射的信号进行协同处理提取有用的信息。
相比于使用有源传感器的应用，例如雷达或有源声纳，其中关注监视区域被询问能量波形照射以获得目标的后向散射回波，无源传感器仅仅捕获目标产生的信号(或者来自单独信号源的目标感应信号)。例如，人、轮式或履带式车辆、快艇或振动机械的移动都会产生宽带的声学信号，其可被用于目标的探测、定位和跟踪。
如后文将详细讲述的，其中目标的检测和定位是有用的一个实例是通过分布式声学传感器网络形成“声学栅栏”进行安全监视。当关注目标，例如车辆，已被检测并定位时，估算的目标位置能由安全摄像机利用以用于瞄准和缩放，以便提高记录图像的质量。这样的系统可被安装用于工业环境中的监视目的，例如，跟踪移动障碍，或为重要的基础设施提供增强的连续监视，包括电力网络、发电厂、油气管线和水系统。
另一个应用是海岸警卫或沿海监视，其中通过使用声学传感器的浮标和提供传感器间通信链路的低功率无线电收发机构成的网络，来探测和定位目标快艇和其他水面船只。
除上述的监视和侦察应用外，在多媒体应用中分布式麦克风网络能够增强音频信号以提高清晰度，及用于摄像机瞄准提示。
当声源和传感器之间的距离较大时，波传播的方向在每个传感器上是近似相同的(远场条件)，且在传感器网络中传播的场是由平面波组成的。对于远场信源，传感器坐标系统中只有到达方向(DOA)可通过不同位置的传感器捕获的信号的相对延迟来直接估算。该相对延迟通常被称为到达时间差，或简写为TDOA。
到达方向(DOA)的测量限制信源在估算的DOA中沿一直线的位置。当多个DOA的测量由多个空间分散的传感器同时进行时，三角测量的方法可被用于在这些方位线的交叉处确定信源的位置。
当声源距离传感器较近时(近场条件)，所接收信号的波前相对于传感器网络的空间范围可察觉到是弯曲的。在这种情况下，各传感器上的传播方向矢量从公共信源位置中发射，以及所有TDOA测量的集合可被用于近场信源的定位。使用TDOA测量用于确定近场信源位置的适宜算法已被本领域的技术人员所了解。
不考虑远/近场信源条件，信源位置的测定通常来源于TDOA的估算，该估算需要从传感器捕获的宽带声学信号中获得。
在分布式传感器网络中，任意两个传感器将捕获同一目标产生的信号s(t)经过衰减和时移的复制信号，x1(t)和x2(t)，有
x1(t)＝A1s(t)+n1(t)        x2(t)＝A2s(t-Δt)+n2(t)
其中A1和A2表示各信号的幅值，Δt表示TDOA；波形n1(t)和n2(t)代表背景噪声和其他干扰。
到达时间差的值Δt通常通过对传感器捕获的宽带信号x1(t)和x2(t)进行交叉相关运算确定，也就是执行运算
R 12 ( τ ) = 1 T ∫ 0 T x 1 ( t - τ ) x 2 ( t ) dt
在持续时间T的观测区间上、并对于关注目标的TDOA值的-|Δtmax|＜τ＜|Δtmax|范围进行积分求值。使交叉相关函数R12(τ)取最大值的自变量τ的值为未知的TDOA提供估算。
实际上，先于交叉相关，接收到的信号可以经过合适的预先滤波以为使得信噪比(SNR)最高而增强频率，并削弱背景噪声，从而增大产生的整体SNR。使用信号预先滤波的交叉相关器在现有技术中被视为通用交叉相关器。
如果使用信号的充分采样和量化，则交叉相关方法，包括预先滤波，也能以数字方式实现。
附图1是一个对信号及其时延复制信号进行交叉相关操作以确定TDOA值的已知系统框图。各信号x1(t)和x2(t)被传送到相应的滤波器102、104。经过滤波的信号x1(t)通过一个可变延迟线106传递到乘法器108的一个输入，乘法器的另一个输入接收经过滤波形式的信号x2(t)。乘法器108的输出在有限时间积分器内110被积分。峰值探测器112探测积分器110的输出中的峰值。该峰值的位置表示两个信号x1(t)和x2(t)之间的延迟时间。
由于其最高频率分量和最低频率分量的比值相对较大，因此目标产生的声学信号被分类为宽带信号。例如，对于音频范围，30Hz到15kHz，该比值为500。对于轮式和履带式车辆，支配频率分量的范围可从约20Hz到2kHz，导致比值为100。
由关注目标发射的声学信号不仅占用较宽的频率范围，而且它们也表现出具有可辨认的间歇瞬态的非固定且无序的本质。结果，许多已知的交叉相关技术都明显或不明显地基于信号固定和噪声高斯分布的假设，这些技术只有有限的实际应用。此外，大部分的应用实现不得不处理离散时间的采样，因此在连续时间架构中执行的优化程序和性能分析不是完全适用的。
因此有必要通过比其他现有技术更为有效的方式，提供一种方法和设备用以确定到达时间差(TDOA)。
发明内容
本发明的各个方面在附属的权利要求中被陈述。
根据本发明的另一个方面，由关注目标发射且由多个空间分散的无源传感器捕获的宽带信号被共同处理，首先探测目标，随后获得关于一个选定的传感器的到达时间差(TDOA)的多重测量。然后，例如通过使用本领域技术人员所了解的数个算法中的一种，TDOA的多重测量被用于目标的定位。一个控制设备响应于传感器产生的信号，用于根据其中哪些传感器接收相对较强的信号来重复选择不同的传感器子集，目标的位置由选定的传感器子集提供的信号确定。
根据本发明的另一方面，每个均结合了感测装置(例如声换能器)的多个传感器单元或设备(至少2个，优选更多)被放置在不同的物理位置，用于探测和定位目标，其中一个设备可被操作用于向其他一个或多个设备发送信号，使其能够计算所述传感器设备从目标接收到信号的时刻与其他传感器设备接收到信号时刻之间的延迟。
在优选的实施方案中，各传感器设备能够在两种模式之间选择性地切换，一种模式中该设备基于所接收的来自另一传感器设备的信号确定时间延迟，在另一种不同的模式中该设备向其他设备发送信号。此设置在结合上述特征时是特别有利的，籍此不同的传感器子集可被选择用于目标的定位；被选择用于发送其信号的传感器设备将(至少)依赖于被选定的子集(和其他可能因素，例如子集中传感器所接收信号的相对强度)。
根据本发明的另一方面，使用在此处被称为“相征(crosslation)”的技术计算到达时间差(TDOA)。这是公开于WO-A-00/39643的用于时间差测量目的和公开于欧洲专利申请号02254612.1题为“Signal Statistics Determination(信号统计确定)”的用于分析目的的技术。这两项申请的内容在此处合并列为参考。
用于此处的术语“相征”意指一种技术，由此发生在一个信号中预先定义的(至少优选本质上为非周期性的)事件被用于定义第二个信号的交叠片段，并将这些交叠片段的表述进行组合。第一个和第二个信号实际上可以是同一个信号，这种情况下产生的组合表述将提供关于该信号统计属性的信息，特别是在预先定义的事件前后该信号的平均行为。可选择地，第一个信号和第二个信号也可以是不同的信号(“互相征(mutual crosslation)”)，或者一个信号是另一个信号的延迟形式，在这种情况下组合表述将提供这些信号之间关系的信息。例如，如果组合表述中包含将从组合与多个预先定义的事件相联系的片段中期望获得的特征，则这可以表示其中一个信号相对于另一个信号的延迟了对应于该特征表述中该位置的一个量。
相征技术可通过根据发生于另一个传感器输出端中的信号事件而处理一个传感器的输出波形来实现。因此，仅需要一个全波形。在传感器彼此间距离较远而放置的情况下，这实质上减小了需要通过传感器发送的数据量，也因此使得本发明能够应用于具有有限通信容量的系统中，例如简单带宽限制的无线链路。数据传输需求的进一步减小是通过使用上文所述的本发明中的方面获得的，由此通过根据由另一设备的传感器所探测的信号事件来处理该设备的传感器的输出，通过通过传感器设备执行TDOA的计算。在这种情况下仅仅需要传送那些表述信号事件时序的数据。
本发明优选的实施方案使用多个本质上相同的无源传感器设备PSD以形成分布式传感器网络的主要部分，这些无源传感器设备分布在某些关注监视区域中，该网络还包括数据融合中心(DFC)。在安全监视系统中，例如，无源声学传感器可以提供“声学栅栏”的功能。关于目标出现及其位置的信息将被传送，例如，传送至安全摄像机的控制系统以用于瞄准和缩放操作。
结合附图参考，本发明的内容现将通过实例进行描述。
附图说明
附图1是依照现有技术配置的用于确定两个信号间相对时间延迟的普通交叉相关器的框图。
附图2描绘了包括7个排列成规则阵列的无源设备，1个数据融合中心和2个安全相机的传感器网络。
附图3是根据本发明的无源传感器设备的框图。
附图4图示了从无源传感器设备捕获的信号交叠片段中形成相征和波形的过程。
附图5图示了通过对在另一无源传感器设备提供的有效时刻处捕获的信号的交叠片段取平均，而在无源传感器设备中形成互相征和波形的过程。
附图6是无源传感器设备的更详细的框图。
附图7是改进的无源传感器设备的详细框图。
附图8是附图7的设置中到达时间差信号处理器工作在探测模式中的功能性框图。
附图9是附图7的设置中到达时间差信号处理器工作在主模式中的功能性框图。
附图10是附图7的设置中到达时间差信号处理器工作在从模式中的功能性框图。
具体实施方式
附图2是一个多传感器的传感器网络的实例，具有7个无源传感器设备PSD，每个由各自被编号的三角形表示，并排列成规则的阵列，还具有一个数据融合中心DFC，该数据融合中心向两个安全摄像机，CAM1和CAM2发送适当的控制信号。
所有无源传感器设备PSD被认为是分布式传感器网络中的节点，数据融合中心DFC可被视为另一更高级信息网络的节点。无源传感器设备PSD的主要任务是感测监视区域，而数据融合中心DFC执行命令、控制和计算的功能。假设以有线或无线链路的形式提供了通信通道，可用于所有无源传感器设备PSD和数据融合中心DFC中的信息交换。也假设所有的信息交换都是在数据融合中心DFC的控制下进行的。
附图3是结合了到达时间差信号处理器TDSP的无源传感器设备PSD的框图。无源传感器设备PSD包括以与信号调节电路相关联的声换能器AT的形式的传感器，该传感器能够相应其视野中目标的出现而产生输出。无源传感器设备PSD还包含波形分析器WAN和连接到适当的无线电收发机TRX的通信接口处理器CIP。
信号处理器TDSP输出此处称为“相征和(crosslation sum)”的信号到波形分析器WAN；这将在下文中详细讲述。波形分析器WAN包含相征和分析器CSA和存储用于分析相征和CS波形的数据的适当的存储器CST。
由无源传感器设备PSD和数据融合中心DFC协同执行的功能和操作将参考附图2所示的普通监测情况进行说明，其中波折线和点线分别表示两目标A和B的轨迹。
根据本发明的优选实施方案，每个无源传感器设备PSD可工作于三种不同的模式的其中一种：探测模式、主模式和从模式。
在单独噪声的情况下，每个无源传感器设备PSD保持在探测模式，整个传感器网络被称为工作于探测配置。
为了能够探测信号发射源的存在，到达时间差信号处理器TDSP具有确定速率N(L)的装置，捕获的信号在该速率N(L)下以正斜率(向上交叉)或是以负斜率(向下交叉)交叉预设电平L。L值的选取要保证在单独噪声的情况下，单位时间交叉电平L的次数，也就是交叉率很小。每个无源传感器设备PSD上记录的N(L)值由数据融合中心DFC通过通信链路监视。监视过程可以是规则的，也就是连续的或是周期性的，或是不规则的。
数据融合中心DFC存储了定义预设探测交叉率NDET(L)的数据。一旦任意一个无源传感器设备PSD上观测到的交叉率N(L)超过NDET(L)的值，则通过数据融合中心DFC声明关于该事件已发生的无源传感器设备PSD的探测。探测也可对于几个无源传感器设备PSD声明。
在附图2的实例中，假设在初始时间T0在传感器阵列附近不存在信号发射目标，且所有无源传感器设备PSD都仅捕获背景噪声。当一个接近中的目标A发射的信号足够大以引起无源传感器设备PSD1到达超过NDET(L)的交叉率时，探测事件在时刻T1处产生。一旦探测被声明，数据融合中心DFC将向无源传感器设备PSD1和其他一些选中的无源传感器设备PSD发送适当的命令以改变它们的工作模式。
其中探测已被声明的无源传感器设备PSD，在所考虑的实例中为无源传感器设备PSD1，将被切换至主模式，其他被选中的无源传感器设备PSD将被切换至从模式，而阵列中剩余的无源传感器设备PSD将继续工作在探测模式。然而，如果探测在几个相邻的无源传感器设备PSD中同时被声明，则只有观测到最大交叉率的无源传感器设备PSD将被切换至主模式。
从无源传感器设备PSD的选择基于其相对于主无源传感器设备PSD的地理位置及其在这些无源传感器设备PSD中观测到的增大的交叉率。网络中包括主无源传感器设备PSD和从无源传感器设备PSD的部分现工作于定位配置，而网络的剩余部分继续工作于探测配置。
需要注意，例如当监视区域中有数个信号发射目标时，分布式传感器网络中单独的部分可以独立地在同一时刻工作于定位配置。然而，通常每一个定位子网络(子网)中只有一个主无源传感器设备PSD。
在附图2所示实例中，在时刻T1，无源传感器设备PSD1，无源传感器设备PSD2和无源传感器设备PSD3将形成一个定位子网，其中无源传感器设备PSD1为主，剩余的无源传感器设备PSD将形成探测子网。
在时刻T2，无源传感器设备PSD2变成重新配置后的具有作为从传感器设备无源传感器设备PSD1和无源传感器设备PSD3，可能还有无源传感器设备PSD6的定位子网络的主传感器设备。
在时刻T3，无源传感器设备PSD5可以被允许变成具有为从传感器设备的无源传感器设备PSD7的第二个定位子网络的主传感器设备。然而，由于无源传感器设备PSD4可能从两个目标，A和B，接收到相同强度的信号，因此通过连续比较不同传感器配置的性能，数据融合中心DFC将试图形成两个在时间上交替工作的定位子网。
1.定位子网络1，主：无源传感器设备PSD5；从：无源传感器设备PSD4和无源传感器设备PSD7；
2.定位子网络2，主：无源传感器设备PSD2；从：无源传感器设备PSD4和无源传感器设备PSD6。
因此，在交替工作期间，从无源传感器设备PSD4将接收来自不同主无源传感器设备PSD的事件数据。
需要注意的是，根据单独的无源传感器设备PSD观测到的交叉率、其地理位置，以及下文讨论的其他考虑，整个传感器网络可由数据融合中心DFC动态地再配置。
由于探测的声明和网络再配置判定都依赖于现测到的电平交叉率的值，因此实例1详细讨论了在单独噪声和信号加噪声的情况下所期望的交叉率之间的差别。
实例1
假设σn为具有从0Hz到2KHz扩展的矩形频谱的背景噪声的rms值。如果背景噪声具有高斯分布，则对于L＝0，即越零率，期望的交叉率达到其每秒2310次交叉的最大值。当电平L逐渐上升至L＝σn、L＝2σn和L＝3σn时，期望交叉率将下降至每秒1340、312和25次交叉。如果L＝4σn，则平均每秒少于一次交叉。
现假设交叉电平L被设置为L＝4σn，且探测交叉率NDET(L)等于1340，以实现非常小的错误警报概率值。为便于说明，也假设目标产生的信号具有与背景噪声相同的矩形谱。在这种情况中，如果信号的rms值σs约为至少是噪声rms值的4倍，则
一个探测将被声明。
在临近主无源传感器设备PSD的无源传感器设备PSD处观测到增长的交叉率，即使其交叉率低于所选定的探测交叉率NDET(L)，但仍说明这些无源传感器设备PSD中至少有一些对协作的目标定位任务有贡献。因此，另一个判定交叉率，定位交叉率NLOC(L)，需被选定用于定位配置下的有效网络操作。例如，所有在其上观测到的交叉率N(L)大于NLOC(L)等于即NDET(L)/4的无源传感器设备PSD都可被认为是可能的候选对象，可被切换至从模式从而被并入定位子网。
当传感器网络工作于定位配置时，有可能发生单独的无源传感器设备PSD中观测的交叉率均不再超过选定的探测交叉率NDET(L)的情况。分布式传感器网路，即使不能执行目标定位，也仍可用于声明协作的目标探测，例如，如果选定的临近无源传感器设备PSD中观测的交叉率之和超过了某些其他预定值NSUM(L)。
依照网络的规定：在每一个定位配置中仅存在一个主无源传感器设备PSD，则可能发生在网络工作过程中一个新的主无源传感器设备PSD取代旧的主无源传感器设备PSD的情况。
此外，可将那些具有极低交叉率的无源传感器设备PSD排除在协作定位任务之外，因为它们不再向数据融合中心DFC提供可靠的信息。
数据融合中心DFC能够响应于比较器的输出通过使用简单的逻辑门来控制上述的各种重配置操作，用于比较表示在具有相应阈值的不同传感器上探测的交叉率的信号。适当的结构可由本领域的技术人员很容易地设计出来。
无源传感器设备PSD模式探测、主和从，以及网络配置探测和定位，将被更为详细的描述。
不考虑模式/配置，每个无源传感器设备PSD总是向数据融合中心DFC发送关于由捕获信号所确定的交叉率N(L)的信息。
当处于探测模式时，每个无源传感器设备PSD通过捕获的信号加噪声或者单独噪声来执行确定对电平L的交叉率N(L)的单一功能。
处于定位配置中的主无源传感器设备PSD执行下列功能和操作：
1.探测捕获信号交叉预定电平L的时刻，随后形成一个连续的时间间隔序列，由交替向上交叉和向下交叉电平L的时刻定义。在下文中，这些特殊的时刻将被称为有效时刻。通过通信链路，有效时刻被提供至所有从无源传感器设备PSD使其能够执行TDOA的确定。
2.确定用于定义时间间隔的时刻，在该时间间隔期间已经探测到预设数目N个有效时刻。这些被称为周期结束脉冲EC的时刻，经由通信链路被发送到所有从无源传感器设备PSD以用于同步化其内部数据的更新。EC脉冲发生的时刻可以被视为是有效时刻的“抽取”的结果。
3.确定相征和分析器CSA使用的相征和CS波形的形状，以指示特定的类别OC，该类别最佳地代表了产生由主无源传感器设备PSD捕获的信号的目标。这样的分类可使用波形分析器WAN的存储器CST中存储的数据，通过分析已确定的相征和CS的适当表述来完成。
相征和CS波形的形状可被认为是用于在信号发射目标的几个类别，包括“未知”类别间进行区分的“指纹”签名。
表明代表性的目标类别的索引OC的值，通过通信接口处理器CIP和收发器TRX发送到数据融合中心DFC。
附图4图示了由主无源传感器设备PSD捕获的信号交叠片段形成相征和CS波形的过程。
附图4(a)显示了一组波形片段，每个片段表示在备自间隔期间换能器AT的输出。通过使用类似于“触发器”的事件(有效事件)用于采样过程，这些片段被选择使其代表信号电平交叉预设阈值L前后(向上交叉和向下交叉)的预定时间间隔的信号。“相征和”通过对波形片段求和获得。产生的波形随后优选地通过将其幅值除以波形片段的数目总和来进行归一化(它显然等于对波形片段取平均；这里参考求和意图包含取平均)。归一化的相征和的实例显示在附图4(b)中。
如果信噪比SNR很高，上述功能和操作只能由主无源传感器设备PSD可靠的执行。这一条件证明了基于最大的观测交叉率选择主无源传感器设备PSD是正确地。
处于定位配置中的从无源传感器设备PSD执行下列操作：
1.在由主无源传感器设备PSD提供的有效时刻，对捕获信号的交叠片段求和以确定相征和CS波形。
在此特定情况中，由于其在提取自与当前实际处理的信号不同的信号中提取的有效时刻执行，因此该相征操作被称为互相征。
2.在与主无源传感器设备PSD提供的周期结束EC脉冲一致的时刻，将从求和中产生的相征和CS波形结果传送给波形分析器WAN。
波形分析器WAN不仅可以确定每个接收到的相征和波形CS的极值(本情况中为最大值)，还可以确定该值在时间上的位置。这一信息经由通信接口处理器CIP和收发器TRX发送到数据融合中心DFC。
相征和CS波形中最大值的时间位置是向相征和分析器CSA提供相征和CS波形的从无源传感器设备PSD和主无源传感器设备PSD之间到达时间差TDOA的测量。该最大值是时间差测量可靠性的标志。
附图5图示了在主无源传感器设备PSD提供的有效时刻，通过对捕获的信号的交叠片段求平均值，在从无源传感器设备PSD中形成互相征和CS波形的过程。
附图5(a)显示了传感器输出信号的各个片段(其优选为连续信号)，该各个片段包含了取自预定间隔的连续样本，该预定间隔包含了在主传感器设备处感测的对电平L的交叉(向上交叉和向下交叉)。由此形成的片段被组合并对产生的波形归一化(类似于附图4描述的过程)，以提供归一化的互相征和，其实例被显示在附图5(b)中。这将在特定的时刻(在横轴上)呈现出一个幅度峰值，其表示各个主传感器设备和从传感器设备的信号到达时间之间的延迟(对于某些类型的信号，此波峰峰值不能精确地与待确定的时间延迟一致，但误差可被忽略。)。术语“峰值”在这里既可以指具有局部最大值的波形也可指具有局部最小值的波形(也就是“谷值”)。例如，通过对电平L选择负值，归一化的相征和将为对应负的局部最小极值的峰值。
因而，由从无源传感器设备PSD确定的相征和CS波形的极值即为其捕获信号的此部分电平的测量，该捕获信号是主无源传感器设备PSD捕获信号的时移复制信号。这一属性是根据在对应的主无源传感器设备PSD确定的有效时刻，由信号片段的从无源传感器设备PSD求和得出的。通过简单时移而使其和从中已提取有效时刻的最初信号无关的任意其他信号或噪声，其将具有实质上区别于通过有效时刻形成的电平交叉的模式。
因此，如果不管从无源传感器设备PSD报告的很高的交叉率，则由该从无源传感器设备PSD确定的相征和CS波形的极值变得相对较小或可被忽略的，由此存在一种可能性，即，除主无源传感器设备PSD观测的信号外，从无源传感器设备PSD也捕获目标发射的信号。因此，一旦从无源传感器设备PSD的交叉率超过探测交叉率NDET(L)，则数据融合中心DFC将试图形成新的定位子网，“老”的从无源传感器设备PSD现将起到主无源传感器设备PSD的作用，而在该新的子网中一些临近的无源传感器设备PSD将变成从无源传感器设备PSD。
在TDOA应用中，互相征比传统的交叉相关优越的两个原因是：
1.计算量：互相征不需要乘法，全部功能被设定为并行方式，因此避免了可变延迟线。
2.通信链路要求：当到达时间差TDOA是通过空间上分离的传感器接收的交叉相关信号获得时，这些信号中的一个信号的高保真复制信号必须被送至交叉相关器；然而，互相征器仅需要一个有效时刻的序列用于其正确的操作。对于数据传输目的，有效时刻可方便地由在有效时刻的两个极值间异步改变的两极二元波形表示，以用于。
这两种情况下传送的数据格式之间的差别由实例2说明。
实例2
假设待处理信号具有从0Hz到2kHz扩展的矩形频谱。
如果数据仅在4kHz采样，且每个样本由10比特数值表示，则持续时间为1秒钟的信号片段将由40000比特的集合表示。通过适当的通信链路，该数据将不得不送至交叉相关器用于TDOA确定。
如实例1所示，即使对于电平L的最低可能值，也就是L＝0，在1秒钟间隔内需被发送的有效时刻的数目等于2310。使用两极相位或频率调制，表示这些有效时刻的二元波形可通过方便的方式传送。
因此，互相征运算可以使用所提供的通信通道链路中简单的调制方案，例如，通过低成本的无线电收发器。
数据融合中心DFC接受下列信息：
1.来自每个无源传感器设备PSD，与其模式无关：由无源传感器设备PSD捕获的信号对电平L的交叉率N(L)。
2.来自主无源传感器设备PSD：表明类别的索引OC的值，此类别最能代表发出由主无源传感器设备PSD捕获的信号的目标。
3.来自从无源传感器设备PSD：对于每个相征和CS波形，代表从无源传感器设备PSD捕获的信号的最大值及该最大值的时间位置。
相征和CS波形的最大值是捕获信号的此部分电平的测量，该信号是由主无源传感器设备PSD捕获的信号的时移复制信号。
相征和CS波形的最大值的位置是已确定该相征和CS波形的从无源传感器设备PSD和主无源传感器设备PSD之间的到达时间差TDOA的测量。
从无源传感器设备PSD接收的信息由数据融合中心DFC使用以用于执行下列操作：
1.如果在至少一个保持在探测模式的无源传感器设备PSD中已超过探测交叉率NDET(L)时，则声明一个或多个探测。如果临近的无源传感器设备PSD观测到的交叉率的和超过预定的值Nsum(L)时，则探测也可被声明。
2.为工作于定位配置中的每个子网动态选择主无源传感器设备PSD和从无源传感器设备PSD。
3.通过将从现有技术中获知的数个数值算法中的一个应用于一组TDOA的测试以确定目标的位置(例如参考“A Simple andEfficient Estimator for Hyperbolic Location”，Y.T.Chan et al，IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.42，No.8，August1994)。
4.依赖于被探测目标的类别和/或位置，启动适当激励器的操作，例如摄像机CAM1和CAM2、报警装置等等，和/或将关于最可能的目标类别和位置的信息发送到多传感器信息融合网络的另一个节点。
需要注意的是，通过合并，或“融合”由所建议的传感器网络提供的信息和由包括其他传感器，例如无源红外传感器的网络提供的补充信息，可以实现监视区域感知能力的增强。
所建议的传感器网络，包括它的结构和操作模式，可以是其中关注目标被与任一传感器均不并置的源所照射。该照射源本身可以是系统使用的有源信源，或者是“机会源”，例如基于陆地、空气传播或卫星的商业广播电台或电视信号发射机。
附图6是图3的无源传感器设备PSD更为详细的框图。
到达时间差信号处理器TDSP包含带有多个抽头的抽头模拟延迟线TDL，电平交叉探测器LCD，两个脉冲延迟电路D1和D2，脉冲计数器PCT，交叉率监视器CRM，两个多路选择器MX1和MX2，模式选择电路MID，多个采样保持电路SHC，多个累加器ACC和存储寄存器SRG。存储寄存器SRG也可组成包括一个适当的波形内插器。
电平交叉探测器LCD通过由声换能器AT提供并应用于到达时间差信号处理器TDSP的输入IP的输入信号来探测对电平L的向上交叉和向下交叉。通过对电平交叉探测器LCD的输入LV提供合适的阈值，所期望的交叉电平被设置。
在附图6所示的配置中，模拟延迟线TDL的M个抽头各自提供出现在输入IP处的信号的时间延迟复制信号。在任意时刻，模拟延迟线TDL的M个抽头上所观测的信号样本联合形成沿模拟延迟线TDL传播的信号的一个有限片段的离散时间表示。优选的，模拟延迟线TDL的连续抽头间的相对延迟为常数值。
附图7是结合了改良型到达时间差信号处理器TDSP的无源传感器设备PSD的框图。在此结构中，具有多抽头的模拟延迟线TDL被带有适当时钟发生器CG的模拟或数字的串入并出移位寄存器SIPO所取代。而且，如下文将详述的，电平交叉探测器LCD现在有两个输入而不是一个。其他的模块及其相互连接关系保持不变。
声换能器AT捕获的模拟信号通过信号调节电路被转换成合适的模拟或数字形式，随后被提供给移位寄存器SIPO的输入IP。
移位寄存器SPIO包括M个存储单元，C1、C2、…、CM。每个单元有一个输入端，一个输出端和一个时钟端CP。这些单元是串行连接的，这样使得每个单元，除第一个单元C1和最后一个单元CM外，都具有其输入端连接到前一个单元的输出端，而其输出端连接到后一个单元的输入端。单元C1的输入端被用作移位寄存器SIPO的串行输入IP。所有M个单元的输出端被看作移位寄存器SIPO的并行输出端。所有单元的时钟端CP连接在一起以形成移位寄存器的时钟端。
一个合适的时钟脉冲序列由时钟发生器CG提供。当时钟脉冲施加于移位寄存器的时钟端时，每个单元中存储的信号样本被传送至下一个单元并由下一个单元存储。移位寄存器SIPO可由数字设备或离散时间模拟设备实现，例如，以“组桶式”电荷耦合设备CCD的形式实现。
移位寄存器SIPO的并行输出连接到相应的M个采样保持电路SHC上。两个选定的相邻移位寄存器SIPO输出还连接到电平交叉探测器LCD的两个输入上。在附图7所示系统中，选定的输出为单元CY和单元CZ的输出。
如果移位寄存器SIPO输出的数目M为奇数，那么两个被选定的输出中的一个优选为中间输出，也就是移位寄存器SIPO的输出M+1/2。但是，如果移位寄存器SIPO输出数目M为偶数，那么两个被选定的输出优选为输出M/2和输出M/2+1。
由于移位寄存器SIPO工作于由时钟发生器CG提供的时钟脉冲定义的离散时间，由信号样本对预定电平L的交叉的探测相比连续时间有些复杂。然而，交叉的探测可使用下述判断规则完成：
如果CY的输出＜L且CZ的输出CZ＞L，或者CY的输出＞L且CZ的输出＜L，则电平向上交叉发生在“位于”单元CY和单元CZ之间的“虚拟”单元VC中；否则没有电平交叉发生。
出于统计考虑，其遵循当时钟发生器的周期相比当前处理信号的时间变动很小时，虚拟单元VC的“时间”位置均匀分布在时钟周期上。从而可以假设虚拟单元VC“定位”于单元CY和单元CZ的中间。
如上文指明的，到达时间差信号处理器TDSP工作于三个不同的模式其中之一：探测模式、主模式和从模式。数据融合中心DFC所请求的模式由控制信号选择，该控制信号出现在通信接口处理器CIP的输出MC并提供给模式选择电路MID。经由通信接口处理器CIP和无线电收发器TRX从数据融合中心DFC获得该控制信号。
模式选择电路MID向两个多路选择器MX1和MX2发送适当的控制信号，其为到达时间差信号处理器TDSP使用的各种信号选择合适的路径以使之正确地工作于所请求的模式中。关于到达时间差信号处理器TDSP当前模式的信息经由通信接口处理器CIP的输入MI和无线电收发器TRX被发送到数据融合中心DFC。
在三种模式的每一种下到达时间差信号处理器TDSP所执行的操作和功能现将被更为详细的描述。
探测模式
在此模式中，MX1和MX2的输出被禁用。到达时间差信号处理器TDSP仅执行监视被捕获的信号加噪声或单独噪声的交叉率的单一功能。
附图8是工作于探测模式的到达时间差信号处理器TDSP的功能框图。每个电平交叉事件由在其输出产生脉冲的电平交叉探测器进行探测。交叉率监视器CRM确定接收到的脉冲的平均率N(L)。优选的，交叉率监视器CRM是带有适当选择的“时间窗口”的移动平均计数器。确定的平均交叉率的值被提供给通信接口处理器CIP的输入CR。平均交叉率经由无线电收发器TRX被数据融合中心DFC所监视。监视过程可以是规则的，也就是连续的或是周期性的，或是不规则的。
主模式
在此模式中，到达时间差信号处理器TDSP确定捕获信号的交叉率并对该信号执行相征运算。
响应于来自数据融合中心DFC的请求，模式选择电路MID通过MX1和MX2设置适当的信号连接，用以产生到达时间差信号处理器TDSP的配置，其功能框图显示在附图9中。
当预定电平L的交叉被电平交叉探测器LCD探测到时，一个短触发脉冲TP在电平交叉探测器LCD的输出处产生。通过公共的TPS输出，触发脉冲TP启动所有采样保持电路SHC的同时操作。每个采样保持电路SHC捕获在其输入端出现的信号的瞬态值并将此值提供给各自的累加器ACC。
触发脉冲TP定义了在相应的定位子网中从无源传感器设备PSD所需的有效时刻。触发脉冲TP被提供给通信接口处理器CIP的输入TP，并通过无线电收发器TRX广播给从无源传感器设备用以同步各自的互相征过程。
根据脉冲计数器PCT的当前状态，脉冲TP加1。PCT的容量等于预定的电平交叉数目N。TP也被施加于适当的脉冲延迟电路D1，其延迟优选等于采样保持电路SHC的稳定时间。
通过延迟电路D1获得的延迟的触发脉冲DT，经由公共的输入DT，启动由各自采样保持电路SHC驱动的所有累加器ACC的同时操作。每个累加器ACC的功能是在相征过程的一个全操作周期中，对其输入上连续出现的所有N个样本执行求和或求平均操作。
当预定的电平交叉数目N被电平交叉探测器LCD探测到、并由脉冲计数器PCT所记录时，周期结束EC脉冲在PCT的输出处产生。EC脉冲通过输入RT重置PCT，它还通过输入ECS启动将累加器中的内容传输至存储寄存器SRG。由脉冲延迟电路D2进行适当延迟的每个EC脉冲通过公共输入RS将所有累加器ACC设置成其初始的零状态。紧接着EC发生之后，确定的相征和CS波形的离散时间形态在存储寄存器SRG的输出CSF处可获得。
当没有波形插值用在寄存器SRG中时，确定的相征和CS波形由M个值表示。然而，寄存器SRG中可以执行一些附加的信号处理用以产生包括多于由累加器ACC提供的M个最初值的CS波形的插值(平滑)表示。
CS波形被传送到波形分析器WAN，其与通信接口处理器CIP的输入OC相连的输出通过收发机TRX发送到数据融合中心DFC。如上文所讲述的，索引OC的值指示一个特定类别，该类别最能代表产生由主无源传感器设备PSD捕获的信号的目标。
周期结束脉冲EC是由形成相应的定位子网的从无源传感器设备PSD所要求的。EC脉冲被施加到通信接口控制器CIP的输入EC，随后通过无线电收发机TRX广播给从无源传感器设备PSD用于同步其内部数据的更新。
当处于主模式时，与探测模式中的方式相同，到达时间差信号处理器TDSP还监视捕获信号的交叉率。已确定的交叉率提供给通信接口控制器CIP的输入CR。
从模式
在此模式中，到达时间差信号处理器TDSP确定捕获信号的交叉率并通过使用由适当的主无源传感器设备PSD提供的周期结束脉冲和有效时刻对该信号执行互相征运算。
响应于来自数据融合中心DFC的请求，模式选择电路MID通过MX1和MX2设置适当的信号连接，用以产生到达时间差信号处理器TDSP的配置，其功能框图显示在附图10中。
从通信接口控制器CIP的TPR输出接收的每个有效时刻，通过公共的TPS输入，启动所有采样保持电路SHC的同时操作。每个采样保持电路SHC捕获在其输入端出现的信号的瞬态值并将此值提供给相应的累加器ACC。
通过延迟电路D1获得的延迟的触发脉冲DT，经由公共的输入DT，启动由相应的采样保持电路SHC驱动的所有累加器ACC的同时操作。每个累加器ACC的功能是在互相征器系统的一个全操作周期中，对其输入端上连续出现的所有样本执行求和或求平均操作。
从通信接口控制器CIP的输出ECR接收的每个周期结束脉冲，通过输入ECS启动将累加器的内容传输给存储寄存器SRG。由脉冲延迟电路D2进行适当延迟的每个ECR脉冲通过公共输入RS将所有累加器ACC设置成其初始的零状态。紧随ECR发生之后，确定的互相征和CS波形的离散时间形态在存储寄存器SRG的输出CSF处可获得。
当没有波形插值用于寄存器SRG中时，确定的互相征和CS波形由M个值表示。然而，寄存器SRG中可以执行一些附加的信号处理用以产生包括多于由累加器ACC提供的M个最初值的互相征和波形的插值(平滑)表示。
互相征和波形被传送到波形分析器WAN，其与通信接口处理器CIP的输入MP和SM相连的输出，通过无线电收发机TRX发送到数据融合中心DFC。
如上文所述，波形中最大值的位置MP是向波形分析器WAN提供波形的从无源传感器设备PSD和主无源传感器设备PSD之间TDOA的测量。波形的最大值SM是捕获信号的此部分电平的测量，该信号是主无源传感器设备PSD捕获信号的时移复制信号。
确定的平均交叉率被提供给模式选择电路MID以便于当那些具有极低交叉率的无源传感器设备PSD不再向数据融合中心DFC提供可靠的数据时，将它们排除在协作定位任务之外。
在上述实施方案中，目标的探测和定位是使用声波实现的；由于代表信号事件的传输过程中产生的延迟相对声频而言是可忽略的，因而此方案具有显著的优势。而且本发明也适用于其它类型的信号。
在上述实施方案中，一个信号被分析用于确定预设电平被交叉的次数，以便于生成事件数据，例如以事件流的形式。该数据用于分割第二信号，所得出的对应于第一信号中的向上交叉事件和向下交叉事件的信号片段被求和。合成的波形显示出本质上是单极的形状，从中对应于两信号间延迟的位置可被容易地确定。在优选的实施方案中，通过定位合成波形的波峰可以找到该位置，该波峰具有对应于两信号间的延迟的位置以及代表测量的可靠性的幅度。然而，其他的各种技术也可被用于找到该延迟，例如定位该形状的重心，或中间值(对应于将波形的面积等分为两部分的位置)。
如上文所述，本发明可用于目标的探测、定位和/或跟踪。适用于确定目标方位的系统，以及探测目标实际位置的系统，而术语“定位”也因此进行解释。
虽然通过在诸如水平面的平面中定位可移动的目标对本发明进行了描述，显然本发明也适用于三维空间中任意位置目标的探测和/或跟踪。
显然本发明适用于使用响应于声学信号之外信号的传感器的系统。例如，可以使用探测发射或反射适当的类噪声电磁信号的目标的电磁传感器。
前文所描述的本发明的优选实施方案用于说明和描述的目的。这并非意味其描述是详尽的或将本发明限定于所公开的精确形式。根据前文所述，显然众多的修改，改进和变化能够使本领域的技术人员在针对具体用途的不同实施方案中利用本发明。

Claims (12)

1.一种包含位于不同位置的4个或更多传感器的目标跟踪系统，每个传感器能够探测来自目标的信号，以及控制装置，所述控制装置响应于传感器的输出，用于重复选择传感器子集并确定子集中传感器接收到信号的时刻相对于彼此被延迟的量，从而能够进行目标当前位置的计算。
2.如权利要求1中所述的系统，其中控制装置响应于探测传感器输出的参数超过预设的探测阈值电平，用于选择所述子集。
3.如权利要求2中所述的系统，其中控制装置可操作用于至少依赖于传感器输出是否显示出超过不同于所述首次提及的阈值电平的第二阈值电平的参数，从而确定传感器是否属于所述子集。
4.如前述任一权利要求所述的系统，包括根据表示在所述子集中第二个传感器的输出之中预定事件所发生的时刻的信号，用于处理所述子集中第一个传感器的输出的装置，以便确定第一个传感器和第二个传感器信号接收之间的延迟。
5.如权利要求4中所述的系统，包含用于形成所述第一个传感器的所述输出的片段组合的装置，这些片段以对应于第二个传感器输出中的事件之间的延迟的间隔而彼此相互交错，还包含从所述组合中的特征位置中确定所述时间延迟的装置。
6.如权利要求4中所述的系统，其中每个所述传感器形成相应的传感器设备的一部分，该传感器设备可工作于主模式以传送表示所述事件发生的数据，亦可工作于从模式从而以接收到的表示在另一个传感器的输出中事件发生的数据来处理其传感器的输出，以便确定所述时间延迟。
7.如权利要求6中所述的系统，其中所述控制装置可操作用于使子集中的其中一个传感器设备工作于主模式，而所述子集中的其他传感器设备工作于从模式。
8.如权利要求5中所述的系统，其中每个所述传感器形成相应的传感器设备的一部分，该传感器设备可工作于主模式以传送表示所述事件发生的数据，亦可工作于从模式从而以接收到的表示在另一个传感器的输出中事件发生的数据来处理其传感器的输出，以便确定所述时间延迟。
9.如权利要求8中所述的系统，其中所述控制装置可操作用于使子集中的其中一个传感器设备工作于主模式，而所述子集中的其他传感器设备工作于从模式。
10.一种传感器设备，用在包含位于不同位置的多个传感器设备的目标定位系统中，所述传感器设备包括传感器以及响应所接收控制信号用于将设备在以下模式间切换的装置：
a)主模式，其中设备可操作用于传送来自通过所述传感
器感测的目标的信号所产生的数据；和
b)从模式，其中设备可操作用于根据来自于另一个传感
器设备的数据来处理所述传感器的输出，以便于确定相应设备
的传感器的信号接收之间的时间延迟；
传感器设备还包括用于传送表示已确定的时间延迟的数据的装置。
11.如权利要求10中所述的传感器设备，其中，在主模式中，设备可操作用于传送数据，该数据指示在传感器的输出中预定事件发生的时刻，该设备可工作于从模式以使用接收到的数据来定义传感器的输出的片段，这些片段以对应于第二数据所定义的连续事件之间的延迟的间隔而彼此相互交错，以形成片段的组合，并通过所述组合中的特征位置确定所述时间延迟。
12.如权利要求11中所述的传感器设备，其中预定事件对应于传感器输出的电平增长至预定电平之上和下降至预定电平之下的时刻，并且其中所述组合通过样本求和形成。
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