CN101034158A - 基于麦克风阵联网的低空目标监视方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于麦克风阵联网的低空目标监视方法，属低空目标监视无源定位技术领域。针对人烟稀少边远地区空管盲区及监视非合作目标的需要，通过合理布局的麦克风阵，多传感器数据融合系统，多跳分组无线网络构架的低空目标监测网，经由多个传感器以空间阵的方式组成单个麦克风阵，使阵中每个麦克风接收飞行器震动空气辐射的声波信号，经自适应波束处理器，采用波束形成等算法，采用波束控制延迟线，改变方向控制延迟线的延迟量，测出目标的波达方向；利用多个自适应处理器叠加构成自适应传感器阵，使多个麦克风阵经多个自适应传感器阵处理获得多目标波达方向信息，经多跳分组无线网络至多传感器数据融合系统进行信息融合，提取目标的航迹信息。
Description
一、技术领域
本发明涉及到控制和信号处理、微电子计算机技术、通信网络技术与传感器技术尤其是属于低空目标监视、目标无源定位技术领域。
二、背景技术
目前国内外研究麦克风阵和无源定位技术的文献主要集中在单阵定位方法本身，及在语音增强、盲源声学信号分离和噪声源和机器人定位方面的应用。直接将多个麦克风阵联网，采用多传感器数据融合，并用于低空目标定位、监视的技术尚未见报导。如居太亮等，“基于任意麦克风阵列的声源二维DOA估计算法研究”(通信学报，2005年8期)，主要对基于单麦克风阵列的声源定位技术进行了研究；杜江等，“智能麦克风阵列语音分离和说话人跟踪技术研究”(电子学报，2005年2期)，主要介绍一种新的基于麦克风阵列的语音分离和说话人跟踪技术。该技术使用麦克风阵列，形成一个指向感兴趣说话人的波束来增强信号，并通过方向置零来抑制其他说话人的声音和噪声，同时用自适应算法跟踪说话人的方位变化。国内目前有人提出了采用第二代GSM、窄带CDMA和第三代宽带CDMA移动通信网移动站低空目标定位方案，该方案将基站天线作适当的改造，具有一定的可行性。但该方案将面临基站覆盖仅仅在人口密集和发达地区，人烟稀少和边远地区无信号可用的问题；而且对非合作目标将无能为力，不能起到安全防范的作用。也有人提出飞机装载GPS的应答机，用地空数据链监视地空空域的方案。此方案一方面受制于应答机的高成本，私人用小飞机无法使用的问题；而且同样存在对非合作目标监视无能为力的问题。
三、发明内容
本发明的目的是利用声学无源定位、多跳分组无线网络(Ad-Hoc)联网和多传感器数据融合等技术，提出一种低空目标监视方法，试图解决人烟稀少和边远地区空域监视盲区的问题又能克服上述方案的缺陷，使与之相关的监视系统一起具有隐蔽性好、抗毁性高、成本低、架设安装方便，对保证通用航空器安全和本国领空安全，以及军事侦察活动有一定的作用。为了实现上述目的，本发明公开了一种基于麦克风阵联网的低空目标监视方法的技术方案。具体方案是这样的：一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是通过由合理布局的麦克风阵，多传感器数据融合系统(MSDF)、多跳分组无线网络(Ad-Hoc)构架成的低空目标监测网，先由多个传感器(如麦克风、偶极子等)以空间阵的方式组成单个麦克风阵后，使阵中每个麦克风接收空中飞行器震动空气辐射的声波信号，再经过一个自适应处理器处理，采用波束形成算法或空间谱估计算法，使自适应波束形成器采用方向控制延迟线，通过改变方向控制延迟的延迟量，让主波束在360度范围内进行逐点扫描来捕获目标测量并输出数据，估计出目标的波达方向(DOA)，利用多个这样的自适应处理器叠加起来构成自适应传感器阵，使多个麦克风阵的经过多个自适应传感器阵处理获得的多目标波达方向(DOA)信息，再经过多跳分组无线网络(Ad-Hoc)送至多传感器数据融合系统(MSDF)进行信息融合处理，提取目标的航迹信息；一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，用麦克风阵进行目标空间三维坐标的位置估计中，可以用单个麦克风阵估计目标波达方向(DOA)，然后用相邻的二个、三个或多个阵组成一个阵列组采用交叉定位法估计目标点迹、航迹；一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，采用自适应处理器和数据叠加可以利用基于数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)嵌入式处理系统来完成；数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)构成的嵌入式处理系统进行自适应波束形成或空间谱估计时可以采用Frost算法或MUSIC算法估计；一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法其特征具有，多个麦克风阵的信号输出是通过多跳分组无线网络(Ad-Hoc)至多传感器数据融合系统(MSDF)进行定位和数据融合处理；所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征具有，多传感器数据融合系统(MSDF)中的计算机系统进行信息融合处理主要对多目标数据进行自动检测、关联、估计、综合等多级多方面的处理，最后输出多目标的点迹和航迹信息供低空目标监视系统使用；所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征还具有，所述的多跳分组无线网络(Ad-Hoc)也可以与移动通信网、其它多跳分组无线网络(Ad-Hoc)、地面主干网等其它网络互联，实现信息共享和大范围空域低空目标态势显示。
采用本发明提出的利用多麦克风阵联网、多传感器数据融合方案不仅能实现上述目的而且由于利用多麦克风阵联网增加了系统的可靠性、抗毁性。多麦克风阵数据融合提高了目标定位精度和覆盖范围，从另一个角度讲可以降低对多麦克风阵指标的要求，降低了多麦克风阵的实现难度。从长远看，通过利用多麦克风阵联网、多传感器数据融合系统、多跳分组无线网络(Ad-Hoc)构架成的低空目标监测网，不仅用于低空空域监视，而且对融入我国国防防空、指挥系统以及野外战场作战也将起一定的补充作用。
四、附图说明
图1本发明所说的自适应阵原理示意图；
图2本发明所说的工作原理示意图；
图3本发明所说的目标波达方向DOA估计的麦克风阵实施例示意图；
图4本发明所说的实施例中非自适应阵和自适应阵的幅值方向对比图；
五、具体实施方式
通过图1、图2可以看出 本发明实施例中是将多个高灵敏度麦克风如麦克风1、麦克风2直至麦克风n作为传感器以空间阵的方式安置或由多个麦克风按面阵或线阵方式排列。每个传感器的输出不是简单相加，用增加等效天线孔径、提高空间角度分辨力的做法，而是经过一个自适应处理器处理后再叠加起来构成自适应传感器阵，简称自适应阵。自适应阵中每个麦克风接收到的空中声信号转化成电信号，送到由数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)构成的嵌入式处理系统，进行自适应波束形成即由波束形成器将多个阵元采集到的信号进行加权处理，使原来的主瓣对准特定方向，加强目标信号并削弱其方向信号或进行空间谱估计，使其过程中采用波束形成算法，例如Frost算法等或者空间谱估计算法，例如MUSIC算法等；进行目标波达方向(DOA)估计。与普通传感器阵的方法相比自适应阵的方法具有对目标环境的自适应能力，即它对目标的运动有自动跟踪的能力；对环境噪声的变化，在一定条件下有自动调整并加以抑制的能力。在麦克风阵定位低空飞行物的监视的具体应用中，采用自适应阵的主要优点是它比普通传感器阵具有更高的角度分辨力。在用麦克风阵进行目标空间三维坐标的位置估计中，可用单个麦克风阵估计目标波达方向(DOA)，然后用相邻的二个、三个或多个阵组成一个阵列组采用交叉定位法估计目标点迹、航迹；下面的实施例有更具体的说明。多个麦克风阵的多目标波达方向(DOA)信息经多跳分组无线网络(Ad-Hoc)网传至由计算机或工作站构成的中心处理机进行后端融合处理。后端处理完成两项工作，一是采用唯方向算法即多站测向交叉定位法确定目标在空间的三维坐标；二是对多目标数据进行自动检测、关联、估计、综合等多级多方面的处理，最后输出多目标的点迹和航迹信息供低空目标监视系统使用。当地面分布多个阵列组时，数据通过数据通信网，本实施例首选多跳分组无线网络(Ad-Hoc)网在分区监测中心做数据融合。有两种融合方式可供选择：一是阵列组级用唯方向算法进行目标三坐标定位，并提供的点迹、航迹，经AD-Hoc网送中心处理机做多目标数据融合处理；另一种方法就是直接将各个麦克风阵估计的目标波达方向(DOA)经AD-Hoc网送中心处理机，同时进行目标定位和多目标数据融合处理，提取目标的航迹信息。在通常情况下，经过多传感器数据融合处理后的结果能提供比单传感器系统更高的精度。因此利用合理的麦克风阵布局和适当数据融合方法可以在一定程度上弥补被动麦克风阵目标波达方向(DOA)估计覆盖面小和精度低的不足。需要强调的是本实施例所说的利用多跳分组无线网络(Ad-Hoc)是利用它的无交换中心、自组织、采用无线多跳方式联通的网络构架、特别适合人烟稀少和边远地区信息传递问题；本(Ad-Hoc)网络通过网关也可以与现有基础设施的移动通信网、其它多跳分组无线网络(Ad-Hoc)、地面主干网互联，实现信息共享和大范围空域低空目标态势显示。
图3图4是利用地面一个五单元环形麦克风阵方法探测直升飞机的实施例，该环形阵直径为30米、依照上述的方法设置在地面，传感器是低频麦克风。当一架直升飞机在麦克风阵探视范围内飞行时，由麦克风记录下直升飞机叶片旋转辐射的声波转化成电信号，通过基于数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)嵌入式处理系统处理，分别采用普通的延时求和波束形成器与自适应波束形成器(用Frost自适应算法)的方法，两个波束形成器采用相同的方向控制延迟。当直升机在空中某一位置固定时，通过改变方向控制延迟量。主波束在360度范围内进行逐点扫描，测量并输出数据，通过多跳分组无线网络(Ad-Hoc)传至计算机或工作站构成的中心处理机进行位置数据融合；其结果可用图4的非自适应阵和自适应阵的幅值方向图对比看出，采用本发明所说的自适应波束形成器的角度分辨力近似为±2度，最大旁瓣比主瓣低25dB。而采用普通波束形成器，角度分辨力近似为±20度，而且大的旁瓣严重干扰目标到达角(DOA)的估计。采用本发明所说的技术方案显示了较好的实施效果，实现了发明的目的。
Claims (7)
1、一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是：通过由合理布局的麦克风阵，多传感器数据融合系统MSDF、多跳分组无线网络Ad-Hoc构架成的低空目标监测网，先由多个麦克风传感器以空间阵的方式组成单个麦克风阵后，使阵中每个麦克风接收空中飞行器震动空气辐射的声波信号，再经过一个自适应处理器处理，采用波束形成算法或空间谱估计算法，使自适应波束形成器采用方向控制延迟线，通过改变方向控制延迟线的延迟量，让主波束在360度范围内进行逐点扫描来捕获目标测量并输出数据，估计出目标的波达方向DOA，利用多个这样的自适应处理器叠加起来构成的自适应传感器阵，使多个麦克风阵经过多个自适应传感器阵处理获得的多目标波达方向DOA信息，再经过多跳分组无线网络Ad-Hoc传送至多传感器数据融合系统MSDF中的计算机系统进行信息融合处理，提取目标的航迹信息。
2、根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，用麦克风阵进行目标空间三维坐标的位置估计中，可以用单个麦克风阵估计目标波达方向DOA，然后用相邻的二个、三个或多个阵组成一个阵列组采用交叉定位法估计目标点迹、航迹。
3、根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，自适应处理器处理和数据叠加可以利用基于数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA嵌入式处理系统来完成。
4、根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA构成的嵌入式处理系统进行自适应波束形成或空间谱估计可以采用Frost算法或MUSIC算法估计。
5、根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，多个麦克风阵的信号输出是通过多跳分组无线网络Ad-Hoc传至多传感器数据融合系统MSDF中的计算机系统进行定位和数据融合处理。
6、根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，多传感器数据融合系统MSDF进行信息融合处理是对多目标数据进行自动检测、关联、相关、估计、综合等多级多方面的处理，最后输出多目标的点迹和航迹信息供低空目标监视系统使用。
7、根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵联网的低空目标监视的方法，其特征是，所述的多跳分组无线网络Ad-Hoc也可以与移动通信网、其它多跳分组无线网络Ad-Hoc、地面主干网等其它网络互联，实现信息共享和大范围空域低空目标态势显示。
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