CN103064078A - 一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法 - Google Patents

一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法 Download PDF

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宋恩亮
石君
李宝清
袁晓兵
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Abstract

本发明涉及一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法，声震复合传感器通过声音传感器和震动传感器在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号，经过时延估计算法计算出两种信号到达声震复合传感器的时间差值，结合声音在野外自由声场中的传播速度以及震动在地面介质中的传播速度，计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离。本发明通过复合震动传感器和声响传感器对同一目标实施两个特征空间的同步观测，以简单系统结构，低成本，低功耗方式实现地面移动目标距离的有效测定。

Description

一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法
技术领域
本发明涉及传感器网络技术领域，特别是涉及一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法。
背景技术
在传感器网络的应用中，通过单传感器节点对地面移动目标进行测距方法，其低功耗和小体积等典型特征，使其容易满足特定使用境便携与易布设的使用要求，该方面的研究受到越来越广泛的关注。目前采用单传感器节点对地面移动目标进行测距的方法包括：1、采用红外、超声波、激光等技术手段进行测距；2、利用信号能量进行测距。其中采用红外、超声波、激光等技术手段的方法是主动式测距，功耗与系统实现成本较高，隐蔽性较差；利用信号能量进行测距的方法是被动式测距，但测距误差较大，测距结果有效性不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法，能够实现低成本，低功耗的方式对地面移动目标距离的有效测定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法，包括以下步骤：
（1）声震复合传感器在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号；
（2）计算出声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值；
（3）根据声音在野外自由声场中的传播速度以及震动在地面介质中的传播速度，计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离。
所述步骤（1）中的声震复合传感器是将声音传感器和震动传感器复合在一起的传感器。
所述步骤（1）中声震复合传感器对声音信号与地面震动信号采用同步采样的方式实现在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号。
所述步骤（2）中采用时延估计方法计算出声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。
所述时延估计方法是利用声音信号与地面震动信号之间的相关性来计算时延的。
所述步骤（3）通过公式
Figure BDA00002644087700021
计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离D，其中，Vsound为声音在野外自由声场中的传播速度，Vvibration为震动在地面介质中的传播速度，Δt为声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将声音传感器和震动传感器复合在一起，组成声震复合传感器，对地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号进行同步采样，利用时延估计算法计算两种信号之间的时延，结合这两种信号的传播速度计算目标与传感器之间的距离。本方法的系统结构简单，成本低，功耗低，可实现对地面移动目标距离的有效测定。
附图说明
图1是本发明中地面移动目标的声音信号与震动信号传播及距离计算示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法，包括以下步骤：
（1）声震复合传感器在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号；本步骤中的声震复合传感器1是将声音传感器11和震动传感器12复合在一起的传感器，安装时如图1所示，声音传感器11位于地面上方用于接收地面移动目标2运动过程中产生的声音信号，震动传感器12埋藏于地面内用于接收地面移动目标2运动过程中产生的地面震动信号。其中，同一时间区间是指对声音信号与地面震动信号进行同步采样，即声震复合传感器对声音信号与地面震动信号采用同步采样的方式实现在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号。
（2）计算出声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值；本步骤中可采用时延估计方法计算出声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。其中，时延估计方法是利用声音信号与地面震动信号之间的相关性来计算时延的。
（3）根据声音在野外自由声场中的传播速度以及震动在地面介质中的传播速度，计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离。本步骤中通过公式
Figure BDA00002644087700031
计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离D，其中，Vsound为声音在野外自由声场中的传播速度，Vvibration为震动在地面介质中的传播速度，Δt为声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。
下面以一个具体实施例来进一步说明本发明。
步骤一：声震复合传感器对移动目标产生的声音信号与震动信号进行同步采样；
步骤二：利用时延估计算法计算这两种信号的到达时间差Δt，假设信号的采样频率为fs，选取数据长度为l的声响信号作为参考信号，数据长度为3l的震动信号逐点滑动与参考信号做相关，滑动窗口长度为l，求取相关值序列，该序列长度为2l+1，找出该序列的最大值所在的位置Pmax，计算Δt的公式为
Δt = P max - ( l + 1 ) f s ;
步骤三：结合这两种信号的传播速度计算目标与传感器之间的距离，其计算公式为 D = | V vibration × V sound × Δt V vibration - V sound | . 其中，地面移动目标的声音信号与震动信号传播及距离计算如图1所示，Vsound为声音在野外自由声场中的传播速度，Vvibration为震动在地面介质中的传播速度，Δt为声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。
不难发现，本发明将声音传感器和震动传感器复合在一起，组成声震复合传感器，对地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号进行同步采样，利用时延估计算法计算两种信号之间的时延，结合这两种信号的传播速度计算目标与传感器之间的距离。本方法的系统结构简单，成本低，功耗低，可实现对地面移动目标距离的有效测定。

Claims (6)

1.一种声震复合传感器对地面移动目标测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）声震复合传感器在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号；
（2）计算出声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值；
（3）根据声音在野外自由声场中的传播速度以及震动在地面介质中的传播速度，计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离。
2.根据权利要求1所述的声震复合传感器对地面移动目标测距方法，其特征在于，所述步骤（1）中的声震复合传感器是将声音传感器和震动传感器复合在一起的传感器。
3.根据权利要求1所述的声震复合传感器对地面移动目标测距方法，其特征在于，所述步骤（1）中声震复合传感器对声音信号与地面震动信号采用同步采样的方式实现在同一时间区间观测地面移动目标运动过程中产生的声音信号与地面震动信号。
4.根据权利要求1所述的声震复合传感器对地面移动目标测距方法，其特征在于，所述步骤（2）中采用时延估计方法计算出声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。
5.根据权利要求4所述的声震复合传感器对地面移动目标测距方法，其特征在于，所述时延估计方法是利用声音信号与地面震动信号之间的相关性来计算时延的。
6.根据权利要求1所述的声震复合传感器对地面移动目标测距方法，其特征在于，所述步骤（3）通过公式
Figure FDA00002644087600011
计算得到地面移动目标与声震复合传感器的距离D，其中，Vsound为声音在野外自由声场中的传播速度，Vvibration为震动在地面介质中的传播速度，Δt为声音信号与地面震动信号到达声震复合传感器的时间差值。
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