CN102981149B - 基于波束成型的井下远程定位方法及系统 - Google Patents

基于波束成型的井下远程定位方法及系统 Download PDF

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刘云浩
王继良
刘克彬
毛续飞
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Abstract

本发明公开了一种基于波束成型的井下远程定位方法及系统。一种基于波束成型的井下远程定位方法,包括以下步骤:发射音频信号;采集音频信号;处理装置处理音频信号,音频信号的处理具体包括以下步骤:波束成型叠加;频谱分析,提取特征信号;确定特征信号到达信号采集单元的时间差;根据到达时间差计算被定位者位置。本发明的定位方法采用的音频信号以巷道金属结构为传播媒介,穿透能力强,传播距离远,同时避免了架设基站。对音频信号的处理采用波束成型技术实现音频信号的信噪比增强。本技术方案定位精度高、可靠性高和成本低。

Description

基于波束成型的井下远程定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及矿井人员定位搜救技术领域,尤其涉及一种基于波束成型的井下远程定位方法及系统。
背景技术
[0002] 煤矿生产的安全与矿难发生后井下被困人员搜救是煤矿行业生产过程中一个至关重要的问题。由于煤矿分布于地下几十到几百米深处,巷道延伸几百到几千米,煤矿的这种特殊环境使得井下与地面的通讯变得异常困难。一旦矿井发生瓦斯爆炸、塌方、透水等事故,井下情况无法传输到地面,搜救人员无法获得被困人员的确切位置,从而救灾工作无法有效地开展。
[0003] 无线传感网络的发展为解决井下被困人员的定位与搜救问题提供了一种有效途径。专利CN101868024A公布了一种矿井下人员定位搜救系统及方法,该定位系统包括带有无线收发模块和控制器的识别卡,具有以识别卡为叶节点、以定位基站为根节点并通过移动基站实现叶节点与根节点层连接的树形拓扑结构的井下定位网络。专利CN1844641A公布了一种煤矿井下人员管理及应急呼救搜救系统,该系统采用射频技术进行无线传输,通过收集无线数据采集单元的信息,确定紧急呼叫单元的位置。专利CN102096065A公布了一种敲击声矿难救援定位系统,该系统通过接受和处理矿难被困人员发出的敲击声,利用敲击振动产生的次声波信号穿透能力强的特点,利用纵波波型与横波波型的速度差异和矢量振动传感器的方向性,通过声源附近的传感器进行单点定位来确定敲击声源的所在位置。
[0004] 现有井下被困人员的定位搜救技术严重依赖于无线信号(RFID、WiFi和ZigBee)和遍布井下的无线/传感器网络,存在如下技术缺陷:1、定位精度低。无线信号在岩石、矿层结构的巷道中传输时易受到信号失真、衰减和多径效应的影响,传输距离大大减少,在巷道弯曲情况下,无线信号的非视距不足10米。2、可靠性低。井下无线/传感器网络设施易受到断电、爆炸、塌方、透水的破坏。3、成本高。无线信号传输需要架设基站作为信号中转站。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种了定位精度高、可靠性高和成本低的井下人员远程精确定位方法。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种了定位精度高、可靠性高和成本低的井下人员远程精确定位系统。
[0007] 为达此目的,本发明采用以下技术方案:
[0008] 一种基于波束成型的井下远程定位方法,包括以下步骤:
[0009] a、井下的音频发射装置发射音频信号;
[0010] b、井口的信号采集单元采集音频信号,将音频信号传送至地面的信号处理装置;
[0011] C、地面的信号处理装置处理音频信号,确定音频发射装置的位置;[0012] 信号处理装置处理音频信号具体包括以下步骤:
[0013] Cl、对音频信号采用波束成型进行叠加,得到增益信号;
[0014] c2、对增益信号进行频谱分析,提取特征信号;
[0015] c3、确定特征信号到达信号采集单元的时间差;
[0016] c4、根据到达时间差计算音频发射装置的位置。
[0017] 其中,步骤Cl中波束成型采用随机阵列计算,计算公式为
Figure CN102981149BD00051
式中F( θ )为基于随机阵列的波束成型的增益因子,K为随机阵列
中天线元素的总数,Cli为相邻单元之间的距离,Θ为入射平面波与阵列法线所成的角度,j为虚数单位,f为入射平面波的频率,c为入射平面波的波速,Ak为第k个天线单元的增益因子,α为随机阵列的相位偏移。
[0018] 其中,波束成型叠加的计算公式中,令
Figure CN102981149BD00052
得到最大增益信号
Figure CN102981149BD00053
为第k个天线单元的增益因子,f为入射平面波的频率,C为入射平面波的波
速,α为随机阵列的相位偏移。
[0019] 其中,步骤c2包括以下步骤:
[0020] c21、将增益信号进行傅里叶变换,从时域信号转换到频域信号;
[0021] c22、采用高通滤波器经步骤c21处理后的增益信号进行去除噪声的处理;
[0022] c23、采用带通滤波器根据音频发射装置所发射的音频信号的特征值对去噪的增益信号进行筛选,记录所筛选出的增益信号的频率;
[0023] c24、对步骤c23筛选出的增益信号根据能量值大小进行排序,保留能量最大的增益信号的频率值;
[0024] c25、对经步骤c24处理后的增益信号进行重构,得到特征信号;
[0025] 其中,傅里叶变换为离散傅里叶正变换,计算公式为
Figure CN102981149BD00054
, O≤k≤N-1,式中,DFT[.]表示取离散傅里叶正变换,
χ (η)为有限长序列,N为有限长序列长度,X(k)为随机阵列中第k个天线单元构成的频域有限长序列,j为虚数单位。
[0026] 其中,重构方法为离散傅里叶逆变换,变换公式为
Figure CN102981149BD00055
0≤n ≤N-1、O ≤ k ≤ N-1,式中 IDFT[.]表示取离
散傅里叶逆变换,χ (η)为有限长序列,N为有限长序列长度,X(k)为频域有限长序列,j为
虚数单位。其中,步骤c4根据到达时间差的计算公式为
Figure CN102981149BD00056
其中ν为特征信号的
传播速度,R为信号采集单元I和信号采集单元2的距离,△ t为特征信号到达信号采集单元I和信号采集单元2的时间差,其中R1为音频发射装置与信号采集单元I的距离。
[0027] —种用于实现权力要求I所述基于波束成型的井下远程定位方法的系统,包括用于发射音频信号的音频发射装置,用于采集音频信号的信号采集单元,用于处理信号采集单元传送的音频信号的信号处理装置,信号采集单元通过音频连线与地面信号处理装置连接,音频发射装置通过巷道的金属结构与信号采集单元连接。
[0028] 其中,音频发射装置为预置有矿下人员身份信息的随身携带至井下的装置,音频发射装置发射音频信号频率范围为20Hz~20KHz,所述巷道的金属结构为铁轨或/和皮带机。
[0029] 其中,步骤b中的信号采集单元包括安装于井口巷道首端的起点信号采集阵列和安装于井口巷道的末端的终点信号采集阵列,信号采集单元为两个以上的传感器。
[0030] 本发明的有益效果为:一种基于波束成型的井下远程定位方法,包括以下步骤:
a、井下的音频发射装置发射音频信号山、井口的信号采集单元采集音频信号,将音频信号传送至地面的信号处理装置;C、地面的信号处理装置处理音频信号,确定音频发射装置的位置。信号处理装置处理音频信号具体包括以下步骤:cl、对音频信号采用波束成型进行叠加,得到增益信号;c2、对增益信号进行频谱分析,提取特征信号;c3、确定特征信号到达信号采集单元的时间差;c4、根据到达时间差计算音频发射装置的位置。本发明的定位方法采用的音频信号以巷道金属结构为传播媒介,穿透能力强,传播距离远,同时避免了架设基站。对音频信号的处理采用波束成型技术实现音频信号的信噪比增强。本发明实现了定位精度高、可靠性高和成本低。
[0031] 附图标记
[0032] 图1为本发明的定位方法的原理框图
[0033] 图2为本发明的定位方法拓扑图。
[0034] 图3为本发明的信号采集单元拓扑图。
[0035] 图4为本发明的音频信号处理流程图。
具体实施方式
[0036] 下面结合图1至图4,通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0037] —种基于波束成型的井下远程定位方法,包括以下步骤:a、井下的音频发射装置发射音频信号山、井口的信号采集单元采集音频信号,将音频信号传送至地面的信号处理装置;C、地面的信号处理装置处理音频信号,确定音频发射装置的位置。信号处理装置处理音频信号具体包括以下步骤:cl、对音频信号采用波束成型进行叠加,得到增益信号;c2、对增益信号进行频谱分析,提取特征信号;c3、确定特征信号到达信号采集单元的时间差;c4、根据到达时间差计算音频发射装置的位置。本发明采用的音频信号以巷道结构层为传播媒介,穿透能力强,传播距离远,同时避免了架设基站。对音频信号的处理采用波束成型技术较好消除矿井下的背景噪声,实现音频信号的信噪比增强。
[0038] 步骤Cl中波束成型采用随机阵列计算,计算公式为
Figure CN102981149BD00061
式中
F( Θ )为基于随机阵列的波束成型的增益因子,K为随机阵列中天线元素的总数,Cli为相邻单元之间的距离,Θ为入射平面波与阵列法线所成的角度,j为虚数单位,f为入射平面波的频率,c为入射平面波的波速,Ak为第k个天线单元的增益因子,α为随机阵列的相位偏移。随机阵列中相邻单元之间的距离可以相同或为任意不同值,而非现有波束成型技术中采用的等间距等有规则排列的阵列。运用波束成型技术进行叠加,一方面可提高采集到的信号的强度,另一方面,可使部分背景噪声以经处理后相互抵消,提高信噪比。[0039] 波束成型叠加的计算公式中,令
Figure CN102981149BD00071
,得到最大增益信号
Figure CN102981149BD00072
为第k个天线单元的增益因子,f为入射平面波的频率,c为入射平面波的波速,α为随机阵列的相位偏移。
[0040] 步骤c2包括以下步骤:c21、将增益信号进行傅里叶变换,从时域信号转换到频域信号;c22、采用高通滤波器经步骤c21处理后的增益信号进行去除噪声的处理;c23、采用带通滤波器根据音频发射装置所发射的音频信号的特征值对去噪后的增益信号进行筛选,记录所筛选出的增益信号的频率;c24、对步骤c23筛选出的增益信号根据能量值大小进行排序,保留能量最大的增益信号的频率值;c25、对经步骤c24处理后的增益信号进行重构,得到特征信号。波束成型后的增益信号中的背景噪声具有较低频率且能量较大,用高通滤波器可使增益信号分量通过,而对背景噪声大大地抑制,从而达到去噪的目的。
[0041] 傅里叶变换为离散傅里叶正变换,计算公式为
Figure CN102981149BD00073
O≤k≤N-1,式中,DFT[.]表示取离散傅里叶正变换,χ (η)为有限长序列,N为有限长序列长度,X(k)为随机阵列中第k个天线单元构成的频域有限长序列,j为虚数单位。本实施例中,也可采用快速傅里叶正变换作为替代方案。
[0042] 重构方法为离散傅里叶逆变换,变换公式为
Figure CN102981149BD00074
≤η≤N-1、0≤k≤N-1,式中IDFT[.]表示取离
散傅里叶逆变换,χ (η)为有限长序列,N为有限长序列长度,X(k)为频域有限长序列,j为虚数单位。本实施例中也可采用快速傅里叶逆变换作为替代方案。
[0043] 步骤C4根据到达时间差的计算公式为
Figure CN102981149BD00075
其中v为特征信号的传播速度,R为信号采集单元I和信号采集单元2的距离,△ t为特征信号到达信号采集单元I和信号采集单元2的时间差,其中R1为音频发射装置与信号采集单元I的距离。参考说明书附图3,携装置发出的音频信号被井口 I的采集单元S1, S2,..., Sk和井口 2的采集单元S' i,S' 2,...,S'。捕获;而音频信号到达各个采集装置的时间不同。井口 I采集阵列与
井口 2采集阵列距离为R = R^R2且R已知,得到公式
Figure CN102981149BD00076
,然后变形此公式,
根据时间差便可获知被定位人员确切的位置。
[0044] 一种用于实现权力要求I所述基于波束成型的井下远程定位方法的系统,包括用于发射音频信号的音频发射装置,用于采集音频信号的信号采集单元,用于处理信号采集单元传送的音频信号的信号处理装置,信号采集单元通过音频连线与地面信号处理装置连接,音频发射装置通过巷道的金属结构与信号采集单元连接。
[0045] 音频发射装置为预置有矿下人员身份信息的随身携带至井下的装置,音频发射装置发射音频信号频率范围为20Hz~20KHz,所述巷道的金属结构为铁轨或/和皮带机。音频信号频率范围为20Hz~20KHz,包括标识矿下人员身份信息的声音信号。20Hz~20KHz波段为低频的特征信号,可以为20Hz,可以为20KHz,也可以为IKHz,本实施例中另一优选方案为750Hz~1500Hz。音频信号包括的身份标识信号可为地面信号处理装置获知,以方便确认井下人员的身份。音频信号以铁轨、皮带机为传输介质。本实施例中的铁轨、皮带机可减少音频信号传播过程中的衰减,即使煤矿发生严重塌方造成巷道掩埋,铁轨或皮带机也不易断裂,仍然可以作为有效的传输介质。
[0046] 信号采集单元包括安装于井口巷道首端的起点信号采集阵列和安装于井口巷道的末端的终点信号采集阵列,信号采集单元为两个以上的传感器。传感器呈阵列排布,一般来说,采集阵列包括的传感器数量越多,提取到的特征信号就越多,通过到达时间差的计算就越精确。本实施例中两个以上传感器即可实现远程定位,定位800米范围以内的煤矿井下人员,误差为I米左右。
[0047] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于波束成型的井下远程定位方法,其特征在于,包括以下步骤: a、井下的音频发射装置发射音频信号; b、井口的信号采集单元采集音频信号,将音频信号传送至地面的信号处理装置; C、地面的信号处理装置处理音频信号,确定音频发射装置的位置; 所述信号处理装置处理音频信号具体包括以下步骤: Cl、对音频信号采用波束成型进行叠加,得到增益信号; c2、对增益信号进行频谱分析,提取特征信号; c3、确定特征信号到达信号采集单元的时间差; c4、根据到达时间差计算音频发射装置的位置; 所述步骤Cl中波束成型采用随机阵列计算,计算公式为
Figure CN102981149BC00021
,式 中F( Θ )为基于随机阵列的波束成型的增益因子,K为随机阵列中天线元素的总数,Cli为相邻单元之间的距离,Θ为入射平面波与阵列法线所成的角度,j为虚数单位,f为入射平面波的频率,c为入射平面波的波速,Ak为第k个天线单元的增益因子,α为随机阵列的相位偏移。
2.根据权利要求1所述一种基于波束成型的井下远程定位方法,其特征在于,所述计 算公式中,令
Figure CN102981149BC00022
得到最大增益信号
Figure CN102981149BC00023
Ak为第k个天线单元的增益 因子,f为入射平面波的频率,c为入射平面波的波速,α为随机阵列的相位偏移。
3.根据权利要求1所述一种基于波束成型的井下远程定位方法,其特征在于,所述步骤c2包括以下步骤: c21、将增益信号进行傅里叶正变换,从时域增益信号转换到频域增益信号;c22、采用高通滤波器经步骤c21处理后的增益信号进行去除噪声的处理;c23、采用带通滤波器根据音频发射装置所发射的音频信号的特征值对去噪后的增益信号进行筛选,记录所筛选出的增益信号的频率; c24、对步骤c23筛选出的增益信号根据能量值大小进行排序,保留能量最大的增益信号的频率值; c25、对经步骤c24处理后的增益信号进行重构,得到特征信号。
4.根据权利要求3所述一种基于波束成型的井下远程定位方法,其特征在于,所 述傅里叶正变换为离散傅里叶正变换,计算公式为
Figure CN102981149BC00024
O≤k≤Ν-1,式中,DFT[.]表示取离散傅里叶正变换,X (η)为有限长序列,N为有限长序列长度,X(k)为随机阵列中第k个天线单元构成的频域有限长序列,j为虚数单位。
5.根据权利要求3所述一种基于波束成型的井下远程定位方法,其特征在于,所述重构方法为离散傅里叶逆变换,变换公式为
Figure CN102981149BC00025
O≤η≤N-1、0≤k≤N-1,式中IDFT [.]表示取离散傅里叶逆变换,χ (η)为有限长序列,N为有限长序列长度,X(k)为频域有限长序列,j为虚数单位。
6.根据权利要求1所述一种基于波束成型的井下远程定位方法,其特征在于,所述步骤c4根据到达时间差的计算公式
Figure CN102981149BC00031
其中V为特征信号的传播速度,R为信号2采集单元I和信号采集单元2的距离,△t为特征信号到达信号采集单元I和信号采集单元2的时间差,其中R1为音频发射装置与信号采集单元I的距离。
7.一种用于实现权利要求1所述基于波束成型的井下远程定位方法的系统,其特征在于,包括用于发射音频信号的音频发射装置,用于采集音频信号的信号采集单元,用于处理信号采集单元传送的音频信号的信号处理装置,信号采集单元通过音频连线与地面信号处理装置连接,音频发射装置通过巷道的金属结构与信号采集单元连接;所述音频发射装置为预置有矿下人员身份信息的随身携带至井下的装置,音频发射装置发射的音频信号频率范围为20Hz~20KHz,所述巷道的金属结构为铁轨或/和皮带机。
8.根据权利要求7所述基于波束成型的井下远程定位方法的系统,其特征在于,所述信号采集单元包括安装于井口巷道首端的起点信号采集阵列和安装于井口巷道的末端的终点信号采集阵列,信号采集单元为两个以上的传感器。
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