CN103424739B - 利用大气扩散的声学测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是利用大气扩散的声学测距系统。处理来自声源(210)的声音(218)的方法和装置。检测来自声源(210)的声音(218)。鉴定来自声源(210)的声音(218)中的谐波(224)。利用谐波(224)和多个大气条件(226)鉴定到声源(210)的距离(222)。

Description

利用大气扩散的声学测距系统
技术领域
本公开通常涉及声系统，并且更具体地，涉及声学测距系统。仍更具体地，本公开涉及利用无源声学传感器(声敏元件，acoustic sensor)鉴定到声源的距离的方法和装置。
背景技术
在操作无人驾驶飞行工具中，传感器系统用于在飞行期间给无人驾驶飞行工具导航。这些传感器系统可由无人驾驶飞行工具用于感测和避开沿无人驾驶飞行工具航线的物体。这些物体可为例如，其他飞行器、结构、陆标、地域或多个其他类型的物体。为了感测这些物体，传感器系统可用于在一个时点检测物体距离无人驾驶飞行工具的距离。
多个传感器系统可包括不同类型的传感器。有源传感器系统使用有源传送的信号检测物体。无人驾驶飞行工具可使用有源传感器系统诸如雷达系统。雷达系统可使用电磁辐射脉冲，以鉴定物体距离无人驾驶飞行工具的方向和距离。该距离由脉冲从物体返回花费的时间的长度确定。
然而，该类型的传感器系统用于无人驾驶飞行工具可能是不期望的。例如，对于雷达系统，电磁辐射的发射使其更易于鉴定无人驾驶飞行工具的存在。目前，利用雷达系统的无人驾驶飞行工具可由不期望的多方诸如敌方飞行器或地面导弹站检测到。例如，敌方飞行器或地面导弹站可通过检测由无人驾驶飞行工具中的雷达系统发射的电磁辐射的脉冲鉴定无人驾驶飞行工具的存在。当无人驾驶飞行工具用于在敌方领土上的监视任务时，无人驾驶飞行工具的该检测可能是不期望的。
进一步地，雷达系统可包括比期望更多的部件。例如，与期望用于无人驾驶飞行工具的相比，雷达系统中的部件可能尺寸更大并且重量更重。另外地，与在无人驾驶飞行工具中期望的相比，雷达系统可占据更多空间。进一步地，与当传送电磁辐射时期望的相比，雷达系统可使用更多能量。
因此，期望具有考虑以上讨论的问题以及可能的其他问题中的至少一个的方法和装置。
发明内容
在一个说明性实施方式中，存在处理来自声源的声音的方法。检测来自声源的声音。鉴定来自声源的声音中的谐波。利用谐波和多个大气条件鉴定到声源的距离。
在另一个说明性实施方式中，存在操控第一无人驾驶飞行工具相对于第二无人驾驶飞行工具飞行的方法。检测来自第二无人驾驶飞行工具的声音。鉴定来自第二无人驾驶飞行工具的声音中的谐波。利用谐波和多个大气条件鉴定从第一无人驾驶飞行工具至第二无人驾驶飞行工具的距离。利用从第一无人驾驶飞行工具至第二无人驾驶飞行工具的距离操控第一无人驾驶飞行工具的飞行。
还在另一个说明性实施方式中，装置包括传感器系统和声音处理器。传感器系统配置来检测来自声源的声音。声音处理器配置来鉴定来自声源的声音中的谐波。声音处理器进一步配置来利用谐波和多个大气条件鉴定到声源的距离。
特征和功能可在本公开的各种实施方式中独立实现或可在其他实施方式中结合，其中进一步的细节参考以下说明书和附图可见。
附图说明
认为是说明性实施方式特性的新特征在所附权利要求中叙述。然而，当结合附图阅读时，说明性实施方式以及其优选使用模式、进一步的目标和优点，将通过参考以下本公开的说明性实施方式的详述最好地进行理解，其中：
图1为根据说明性实施方式的飞行器环境的图解；
图2为根据说明性实施方式的定位系统的方块图的图解；
图3为根据说明性实施方式的声音处理器中的距离鉴定器的方块图的图解；
图4为根据说明性实施方式的监视环境的图解；
图5为根据说明性实施方式的处理来自声源的声音的过程的流程图的图解；
图6为根据说明性实施方式的操控无人驾驶飞行工具飞行的过程的流程图的图解；和
图7为根据说明性实施方式的数据处理系统的图解。
具体实施方式
说明性实施方式意识到并考虑一种或多种不同的考虑因素。例如，说明性实施方式意识到并考虑，对于飞行器，鉴定到另一飞行器的距离可有用于操控飞行器的飞行。例如，已知从一个无人驾驶飞行工具至另一无人驾驶飞行工具的距离和方向可用于实施无人驾驶飞行工具之间的避撞。该避撞可由控制器自动实施或由操作员实施。
说明性实施方式意识到并考虑，当有源传感器系统诸如雷达系统是不期望的时，可使用无源传感器系统。例如，无源传感器系统可为无源声学传感器系统。
说明性实施方式意识到并考虑，无源声学传感器，诸如麦克风，可用于鉴定到从无源声学传感器系统到声源的方向。例如，由声学传感器系统检测的声音可用于鉴定方向信息，诸如声源的方位(bearing)、方位角和高度或其一些组合。
说明性实施方式意识到并考虑，当声学传感器系统为无源声学传感器系统时，目前可用的声学传感器系统不能鉴定到声源的距离。
进一步地，说明性实施方式意识到并考虑，除了操控飞行器以外，目前可用的无源声学传感器系统的问题还应用于这些系统在其他环境中的使用。例如，说明性实施方式意识到并考虑，鉴定到声源的距离的问题存在于配置来监测声音诸如枪开火、爆炸或两者的无源声学传感器系统中。
目前，无源声学传感器系统能够根据将检测的声音与枪开火和爆炸的声特征进行比较，鉴定声源诸如枪或爆炸设备的存在。无源声学传感器系统也能鉴定从无源声学传感器系统至声源的方向。然而，无源声学传感器系统不能鉴定距离。结果，枪开火、爆炸或两者的位置不能利用目前可用的无源声学传感器系统进行鉴定。
因此，说明性实施方式提供了鉴定声源的方法和装置。具体地，说明性实施方式提供了用无源声学传感器系统鉴定到声源的距离的方法和装置。在一个说明性实施方式中，检测来自声源的声音。鉴定来自声源的声音中的谐波。利用谐波和多个大气条件鉴定到声源的距离。
现在参考图，并且具体地，参考图1，根据说明性实施方式描绘了飞行器环境的图解。飞行器环境100是一个环境的例子，其中可鉴定关于从飞行器至声源的距离的信息。具体地，飞行器环境100是一个环境的例子，其中可鉴定关于从飞行器至另一飞行器的距离的信息。
在该说明性实施例中，飞行器环境100包括无人驾驶飞行工具102、无人驾驶飞行工具104、无人驾驶飞行工具106和有人驾驶飞机108形式的飞行器。在这些说明性实施例中，无人驾驶飞行工具102包括声学传感器系统110，无人驾驶飞行工具104包括声学传感器系统112，和无人驾驶飞行工具106包括声学传感器系统114。
在这些说明性实施例中，这些声学传感器系统可根据说明性实施方式实行。当根据说明性实施方式实行时，这些传感器系统提供了鉴定到声源的距离的能力。
例如，无人驾驶飞行工具104可为声源。无人驾驶飞行工具104产生声音116。声音116可由无人驾驶飞行工具104中的发动机产生。声音116由声学传感器系统110检测。声学传感器系统110配置来鉴定来自无人驾驶飞行工具104的声音116中的谐波。
另外地，声学传感器系统110配置来鉴定从无人驾驶飞行工具102至无人驾驶飞行工具104的距离118。距离118利用由无人驾驶飞行工具104的声音116鉴定的谐波和多个大气条件，通过声学传感器系统110进行鉴定。
在这些说明性实施例中，多个大气条件可影响谐波在空气中行进的速度。具体地，声音116的谐波中的每个谐波以相对于声音116中的其他谐波的不同速度行进。
以该方式，可鉴定从无人驾驶飞行工具102至无人驾驶飞行工具104的距离118。以类似的方式，无人驾驶飞行工具104可检测由有人驾驶飞机108产生的声音120。声学传感器系统112可鉴定声音120中的谐波，并利用谐波和多个大气条件鉴定从无人驾驶飞行工具104至有人驾驶飞机108的距离122。类似地，无人驾驶飞行工具106中的声学传感器系统114也可使用由无人驾驶飞行工具104产生的声音116和由有人驾驶飞机108产生的声音120，检测到这些飞行器的距离。该距离信息对于操控无人驾驶飞行工具102、无人驾驶飞行工具104和无人驾驶飞行工具106的运行可特别有用。
例如，操作员124可使用控制器126控制这些无人驾驶飞行工具的运行。在该说明性实施例中，操作员124和控制器126位于地面130上的建筑128中。
在这些说明性实施例中，控制器126为硬件设备并可包括软件。在这些说明性实施例中，控制器126可利用一个或多个计算机实行，并配置来操控无人驾驶飞行工具102、无人驾驶飞行工具104和无人驾驶飞行工具106的运行。
利用信息诸如无人驾驶飞行工具102和无人驾驶飞行工具104之间的距离118，操作员124可使用距离118以实施避撞。例如，操作员124可确定无人驾驶飞行工具102和无人驾驶飞行工具104之间的距离118是否是不期望的距离。避撞也可对于有人驾驶飞机108实施。
在另一个说明性实施方式中，无人驾驶飞行工具102、无人驾驶飞行工具104和无人驾驶飞行工具106中的一个或多个可自动操控其航线，以避免相互或与其他飞行器的碰撞。在该实施例中，操作员124不需要实施避撞。
进一步地，在该说明性实施例中避撞的实施除了距离以外还可利用信息诸如到声源的方位角和高度实施。利用该额外的信息，也可鉴定声源的位置。
在这些说明性实施例中，方位角为水平参考面上球面坐标系统中的角度测量。高度为声源和水平参考面之间的距离的角度测量。位置可取决于存在的额外信息的量以二维或三维进行鉴定。
提供图1中飞行器环境100的图解作为一个飞行器环境的实例，其中可实行声学传感器系统。当然，不同的说明性实施方式可在其他环境中实行。例如，没有限制地，声学传感器系统可在环境诸如安全环境、监视环境和其他合适的环境中实行。在这些环境中，鉴定枪射击和爆炸的位置可以是有用的。具体地，鉴定枪或爆炸设备的位置可用于实施在这些类型环境中的操作。除了方位角、高度或其一些组合外，利用鉴定距离的能力，声源的位置可利用无源声学传感器系统更简单地进行鉴定。另外地，除了其中方位角和高度限定方向的球面系统以外或代替该球面系统，可使用任何类型的方向测量系统。
现在参考图2，根据说明性实施方式描绘了定位系统的方块图的图解。在该说明性实施例中，定位系统200可在包括图1中的飞行器环境100在内的多种环境中实行。定位系统200可为鉴定到声源的距离的声学测距系统。在该描绘的实施例中，定位系统200由多个声学传感器系统202组成。如本文所用，“多个”当参考物品使用时，指一个或多个物品。例如，多个声学传感器系统202为一个或多个声学传感器系统。
在该说明性实施例中，在多个声学传感器系统202中的声学传感器系统204与平台206相关联。平台206可被认为是定位系统200的一部分，或与定位系统200分开的部件，这取决于具体实行。
平台206可采用多种不同的形式。例如，平台206可采用飞行器的形式，诸如在图1的飞行器环境100中描绘的飞行器之一。另外，平台206可为移动平台、静止平台、地基结构、水基结构或空间基结构。更具体地，平台206可为水面舰艇、坦克、直升机、人员运输车、火车、航天器、空间站、卫星、潜艇、汽车、发电厂、桥、坝、生产设施、建筑物或另一合适的物体。
在该说明性实施例中，声学传感器系统204可用于产生声源210的位置信息208。如所描绘的，声学传感器系统204可包括声学传感器组212和声音处理器214。
具体地，声学传感器组212包括一个或多个声传感器。在该说明性实施例中，声学传感器组212采用无源声学传感器组216的形式。换言之，当检测由声源210产生的声音218时，声学传感器组212不传送声音信号或其他类型的能量。使用无源声学传感器组216，能量不通过声学传感器组212发射。因此，可降低平台206的检测能力。
在这些说明性实施例中，声学传感器组212可为一个或多个麦克风。这些麦克风可采用多种形式。例如，麦克风可为全方向麦克风、单向麦克风、心形方向性麦克风和其他合适类型的麦克风。
在这些说明性实施例中，声源210可采用多种不同的形式。例如，声源210可为飞行器、无人驾驶飞行工具、枪或另一合适类型的可能感兴趣的声源。
在这些说明性实施例中，声音处理器214为硬件并也可包括软件。如所描绘的，声音处理器214可以以多种不同的方式实行。例如，声音处理器214可在计算机系统219中实行。计算机系统219可为一个或多个计算机。当多于一个计算机存在时，那些计算机可通过通信介质诸如网络相互通信。声音处理器214配置来检测和处理声音218，以鉴定声源210的位置信息。
由声音处理器214实施的操作可在软件、硬件或其一些组合中实行。当使用软件时，由声音处理器214实施的操作可在配置来在处理器上运行的程序代码中实行。当使用硬件时，该硬件可包括操作以实施声音处理器214的操作的电路。
在说明性实施例中，硬件可采用配置来实施多个操作的电路系统、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备或一些其他合适类型硬件的形式。利用可编程逻辑设备，该设备配置来实施该多个操作。该设备可在以后重新配置或可永久配置来实施多个操作。可编程逻辑设备的例子包括，例如，可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、现场可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列和其他合适的硬件设备。另外地，所述过程可在与无机部件整合的有机部件中实行，和/或可全部由排除人的有机部件组成。例如，所述过程可作为有机半导体中的电路实行。
在该说明性实施例中，声音处理器214包括距离鉴定器220。距离鉴定器220为声音处理器214内的硬件、软件或两者。距离鉴定器220配置来鉴定到声源210的距离222。在这些说明性实施例中，位置信息208包括距离222，但也可包括其他信息，这取决于实行。
具体地，到声源210的距离222为从声学传感器组212至声源210的距离。更具体地，距离222可为从声学传感器组212中的声学传感器至声源210的距离。在这些说明性实施例中，声学传感器系统204与平台206相关联，距离222也可被认为是平台206和声源210之间的距离。
大气条件传感器系统225为声学传感器系统204中的硬件部件并配置来检测声学传感器系统204周围环境中的多个大气条件226。多个大气条件226可为例如温度、湿度、压力和其他合适的大气条件中的至少一种。
如本文所用，短语“…中的至少一个”，当与一列物品一起使用时，指可使用所列物品中的一个或多个的不同组合，和可能仅需要列表中每个物品中的一个。例如，“物品A、物品B和物品C中的至少一个”可非限制地包括物品A或物品A和物品B。该例子也可包括物品A、物品B和物品C，或物品B和物品C。
在该说明性实施例中，声音处理器214配置来处理由声学传感器组212检测的声音218。当声音218由声学传感器组212检测时，声音218由声学传感器组212中的一个或多个声学传感器检测。
声音处理器214配置来鉴定来自声源210的声音218中的谐波224。在这些说明性实施例中，声源210可为产生声音218中的谐波224的任何声源。进一步地，声音处理器214配置来利用谐波224和多个大气条件226鉴定到声源210的距离222。多个大气条件226为大气中的一个或多个条件，其可以以影响谐波224传播的方式造成大气扩散。
多个谐波224中的谐波为来自声音218中多个频率的频率。具体地，该频率可为基频的整数倍数。多个大气条件226可影响谐波行进的速度，因此造成大气扩散。因此，声音处理器214能够利用谐波224考虑到多个大气条件226影响谐波224的方式，鉴定到声源210的距离222。
在这些说明性实施例中，声音处理器214也可包括其他部件，以产生除了距离222以外的位置信息208的额外信息。例如，声音处理器214也可包括方向鉴定器229。方向鉴定器229配置来鉴定从声学传感器组212至声源210的方向230。方向230可为二维或三维的，这取决于具体实行。
在这些说明性实施例中，方向鉴定器229可实行任何数量的已知的方向估计过程。例如，方向鉴定器229可利用声学传感器组212使用一个或多个到达角估计算法，诸如多发射极位置和信号参数估计算法。声学传感器组212可被以阵列诸如平面阵列布置。
方向鉴定器229也可使用其他类型的算法，诸如极小方差无畸变响应算法(minimum variance distortionless response algorithm)。还在另一说明性实施例中，方向鉴定器229可利用旋转不变性技术(rotational invariance technique)估计方向。
在这些说明性实施例中，方向鉴定器229可包括方位角鉴定器231和高度鉴定器232中的至少一个。方位角鉴定器231配置来鉴定位置信息208中的方位角234。方位角234为到声源210的方位角。在这些说明性实施例中，方位角234为相对于水平面的方向。在这些说明性实施例中，方位角234可以以度为单位进行测量。
高度鉴定器232配置来鉴定位置信息208中的高度236。高度236可为到声源210的高度。具体地，在这些说明性实施例中，高度236为距平台206的透视图的高度。在这些说明性实施例中，高度236为从鉴定方位角234的水平面的海拔或变化。高度236也可以以度为单位进行测量。
方位角234和高度236可形成方向230的方位。在一些说明性实施例中，该方位可为二维的，诸如具有角度信息的罗盘方向。在其他说明性实施例中，方位角234和高度236可利用其他单位诸如密耳、百分度或其他合适的单位进行测量。
利用方位角234和高度236中的至少一个，连同距离222，可利用位置信息208鉴定声源210的位置238。如果方位角234、高度236和距离222存在，位置238可位于三维空间中。如果仅方位角234和高度236之一与距离222一起存在，则位置238可为平面上的二维位置。
如果所有三种这些类型的测量都不存在于位置信息208中，则多个声学传感器系统202中的其他声学传感器系统也可检测声音218和产生可用于以三维鉴定声源210的位置238的位置。另外，通过使用定位系统200中的多声学传感器系统，可建立监视系统以鉴定声源210的移动。
在一个说明性实施例中，声音处理器214可基于距离222产生警报239。例如，当距离222用于避撞时，当距离222小于平台206和声源210之间的期望距离时，产生警报239。警报239可仅基于距离222，但也可基于其他条件。例如，当距离222小于期望的距离并且平台206和声源210两者位于相同的海拔时，可产生警报239。该警报239的形式对操控多个无人驾驶飞行工具的操作员是有用的。
在另一个说明性实施例中，声音处理器214可通过鉴定声源210的位置238产生地图240。地图240可由平台206的操作员或另一位置中的一些其他操作员使用，以鉴定声源210的位置。当平台206的操作员实施监视或其他类型的监测操作时，地图240可为有用的。
在这些说明性实施例中，声学传感器系统204可比其他无源系统诸如无源雷达更快地鉴定声源210的位置238。因此，声学传感器系统204也可用于跟踪移动。声学传感器系统204不需要与其他类型的无源传感器系统一样多的时间来鉴定声源210的位置。对于其他无源传感器系统，鉴定声源210位置需要的时间量可在声源210已经行进至另一位置后产生。因此，与目前可用的无源传感器系统诸如无源雷达系统相比，声学传感器系统204提供了更准确地跟踪声源210的移动的能力。进一步地，成本可比无源传感器系统更小，因为无源声学传感器的成本可小于无源雷达传感器的成本。
现在转至图3，根据说明性实施方式描绘了声音处理器中的距离鉴定器的方块图的图解。在该说明性实施例中，显示了可在声音处理器214的距离鉴定器220中实行的部件的实例。在该说明性实施例中，距离鉴定器220包括谐波鉴定器300、扩散鉴定器302和距离估计器304。
谐波鉴定器300接收来自声学传感器组212的声音数据306。声音数据306为由声学传感器组212响应检测声音218产生的数据。
谐波鉴定器300配置来利用声音数据306鉴定声音218中的谐波224。在这些说明性实施例中，谐波鉴定器300对声音数据306实施傅里叶变换。傅里叶变换将声音218从时域转化为频域。在该频域中，鉴定频率的峰。在这些说明性实施例中，使用这些峰鉴定声音数据306中的谐波224。谐波鉴定器300产生在声音数据306中鉴定的谐波224的谐波数据307。
在这些说明性实施例中，扩散鉴定器302接收来自大气条件传感器系统225的大气数据308。大气数据308为通过大气条件传感器系统225检测多个大气条件226产生的数据。大气数据308包括由大气条件传感器系统225检测的关于多个大气条件226的信息。
如所描绘的，扩散鉴定器302配置来利用大气数据308鉴定声音218的速度传播的变化。利用大气数据308中的多个大气条件226鉴定声音218的速度传播的变化。
这些大气条件可包括温度、湿度、压力和其他合适的大气条件中的至少一个。在这些说明性实施例中，声音218的速度基于多个大气条件226改变。另外地，声音的速度对于谐波224中不同谐波的不同频率也是不同的。因此，谐波224中每个谐波的速度都是多个大气条件226和具体谐波频率的函数。关于谐波的频率信息可从谐波鉴定器300接收。
扩散鉴定器302从大气数据308中的多个大气条件226产生多个扩散因子310。多个扩散因子310由距离估计器304使用，以进行对谐波224的速度的调整。进行这些调整，以考虑造成声音218的大气扩散的多个大气条件226。
在这些说明性实施例中，距离估计器304使用谐波224和多个扩散因子310，以鉴定到声源210的距离222。在这些说明性实施例中，距离估计器304配置来鉴定谐波224的多个相位延迟312。多个相位延迟312中的相位延迟为谐波224中两个谐波之间的相位延迟。利用多个相位延迟312，距离估计器304鉴定谐波224的多个时间延迟314。
距离估计器304利用多个时间延迟314和多个扩散因子310鉴定多个距离316。在这些说明性实施例中，多个距离316中的距离可在谐波数据307的谐波224中的任何两个谐波之间鉴定。因此，在该说明性实施例中，如果在谐波224中选择多于一对的谐波，则多个距离316为多于一个距离。在这些说明性实施例中，当多于一个距离存在时，多个距离316可被平均或以其他方式被分析，以鉴定距离222。
例如，距离估计器304可鉴定谐波224中的第一谐波318和第二谐波320，进行处理。在这些说明性实施例中，声音信号从时域至频域的傅里叶变换如下：
其中F(k)为频域中的声音信号，s(n)为时域中取样的声音信号，N为取样声音信号的样本长度，n为取样声音信号的时间指数，和k为谐波频率的频率指数。
在频域中，该组谱峰定义如下：
其中PK为谱峰。谐波频率从该组谱峰中提取(extract)。每个谱峰都涉及三个傅里叶系数。如果F(k)为谱峰，则谐波频率利用这三个系数通过以下等式估计：
其中
和f0＝kΔf
其中fi为谐波频率，和f0为频率指数k下的离散频率。fs为取样频率，Δf为由快速傅里叶变换计算的两个邻近离散频率之间的频率差，和M为提取的谐波频率的数量。在该实施例中，等式(3)用于估计两个离散频率之间的频率和提供比等式(1)中快速傅里叶变换的结果更好的解析(resolution)。
距离估计器304也鉴定相位延迟324。如所描绘的，多个相位延迟312中的相位延迟324为第一谐波318和第二谐波320之间的相位延迟。
在这些说明性实施例中，在计算相位延迟中，谐波频率fk的相位根据它的复数傅里叶变换系数(complex Fourier transformation coefficient)F(k)计算。复数傅里叶变换系数如下进行计算：
和
F(k)=ak+jbk (5)
两个频率的相位延迟由以下给出：
Δφn=φn-nφ1 (6)
其中φk为F(k)的复数傅里叶变换系数的相位，ak为F(k)的实部，bk为F(k)的虚部，φn为频率fn的相位，φ1为频率f1的相位，f1为参考频率，和fn为n选择的谐波频率。利用相位延迟，可计算两个频率的传播时间延迟。
在这些说明性实施例中，选择fn和f1。至少两个谐波频率用于计算相位差和扩散。利用两个频率，任一个都可用作参考频率，以估计相位差和扩散。尽管该实施例显示两个频率，但可使用其他数量的频率，诸如3、6、8或一些其他数量的频率。
时间延迟326根据相位延迟324通过距离估计器304进行鉴定，并代表第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟。在这些说明性实施例中，时间延迟326为在接收第一谐波318和接收第二谐波320之间经过的时间量。
在鉴定时间延迟中，两个谐波频率的时间延迟根据它们的相位延迟利用以下等式进行计算：
其中Δtn为两个谐波频率之间的时间延迟，t1为参考频率f1的传播时间；和tn为频率fn的传播时间，如由谐波频率n的指数所选择的。
距离估计器304鉴定扩散因子322。多个扩散因子310中的扩散因子322为第一谐波318和第二谐波320的扩散因子。在这些说明性实施例中，扩散因子322可为大气扩散因子。
在一个说明性实施例中，在鉴定多个扩散因子310中，鉴定谐波224的大气扩散。根据物理声学原理，由于氮和氧弛豫，大气中声音的传播速度随多个大气条件226和声音频率而改变。对于给定的大气条件，声音速度为声音频率的函数。该函数给出如下：
C(f)=C0(f0)DF(f,f0) (8)
其中
和
其中C(f)为不同频率的声音的速度，f为来自声音信号的任何谐波频率，C0(f0)为参考频率的参考声音速度，DF(f,f0)为在两个不同的谐波频率下的传播速度比，如等式(9)所定义。λ为声波的波长，α为取决于大气温度、湿度和压力的大气衰减系数。
在这些说明性实施例中，大气衰减系数利用以下等式计算：
其中ps为大气压，ps0为大气压(1atm)的参考值，F=f/ps、Fr,O=fr,O/ps和Fr,N=fr,N/ps为按大气压缩放的频率，f为以Hz为单位的频率，T为大气温度，和T0为参考温度。在该说明性实施例中，T0为293.15K。
缩放的氧和氮的弛豫频率分别如下计算：
和
其中h为绝对湿度。绝对湿度如下进行计算：
其中hr为相对湿度和psat为饱和蒸气压。
频率f1和fn的声学扩散因子如下定义：
其中Cn为通过谐波频率指数n鉴定的谐波频率的声音速度，C1为参考谐波频率f1的声音速度，和ΔCn为谐波频率fn和参考频率f1之间的速度差。声学扩散因子用于估计声源和传感器之间的距离。
利用该信息，距离估计器304鉴定多个距离316中的距离328。在鉴定距离328中，频率fn和f1的时间延迟可如下表示：
其中D为声源和传感器之间的距离。距离D可如下计算：
图2和图3中的定位系统200和定位系统200的不同部件的图解不表示暗示对可实行说明性实施方式的方式进行物理或结构限制。除了或代替所图解的部件，还可使用其他部件。一些部件可为不必需的。同样，显示方块，以说明一些功能性部件。当在说明性实施方式中实行时，这些方块中的一个或多个可组合、分开、或组合和分开成不同的方块。
例如，在一些说明性实施方式中，相位延迟和时间延迟的计算可通过谐波鉴定器300而不是距离估计器304实施。另外地，多个距离316的鉴定可利用其他操作而不是图3描述的那些操作实施，其考虑由多个大气条件226影响的谐波224的速度。
现在转至图4，根据说明性实施方式描绘了监视环境的图解。监视环境400为可使用定位系统200的其他环境的实例。
在该说明性实施例中，监视环境400为城市402的一部分的俯视图。在该说明性实施例中，城市402包括建筑404、406、408和410。城市402也包括公园412。道路414、416和418也存在于城市402中。车辆420位于建筑404和建筑406之间的道路414上。
在该说明性实施例中，车辆420为平台206的实例。车辆420可为警车或其他合适类型的车辆。在该说明性实施例中，声学传感器系统422与车辆420相关联。声学传感器系统422为图2的定位系统200的多个声学传感器系统202中的声学传感器系统的另一实例。车辆420可实施对城市402中声源的监视。
如另一说明性实施例，声学传感器系统424与建筑410相关联。声学传感器系统424为图2的定位系统200的多个声学传感器系统202中的声学传感器系统的另一实例。
例如，如果枪426产生声音428，则声音428可由声学传感器系统422和声学传感器系统424中的任一个或两个进行检测。在这些说明性实施例中，声音428可为多次枪射击。声学传感器系统422可鉴定从声学传感器系统422至枪426的距离430。声学传感器系统424可鉴定声学传感器系统424和枪426之间的距离432。
声学传感器系统422和声学传感器系统424的位置，连同距离430和距离432可用于鉴定枪426的位置。该位置可以二维鉴定并显示在地图上，这取决于具体实行。
如果声学传感器系统422和声学传感器系统424中的至少一个配置来除了距离以外还提供另外位置信息，则可用声学传感器系统的仅一个鉴定二维或更多维的位置。
图4中监视环境400的图解和图1中飞行器环境100的图解不表示暗示对可实行定位系统的方式进行限制。定位系统200还可在期望鉴定声源距离的其他环境中实行。例如，定位系统200可部署在战场上或接近战场。进一步地，定位系统200可位于直升机或无人驾驶飞行工具中，并用于检测图4的城市402的各个位置中的枪射击、爆炸或两者。
现在参考图5，根据说明性实施方式描绘了处理来自声源的声音的过程的流程图的图解。该过程可在图2的定位系统200中实行。具体地，该过程可通过图2中的声音处理器214实行。
该过程以检测来自声源的声音(操作500)开始。该过程鉴定来自声源的声音中的谐波(操作502)。利用谐波和多个大气条件鉴定到声源的距离(操作504)，该过程随后终止。
现在转至图6，根据说明性实施方式描绘了操控无人驾驶飞行工具飞行的过程的流程图的图解。图6中图解的过程可利用图2中的定位系统200实行，以操控图1的飞行器环境100中的飞行器。该过程可用于操控第一无人驾驶飞行工具相对于第二无人驾驶飞行工具的飞行。
该过程以检测来自第二无人驾驶飞行工具的声音(操作600)开始。该过程鉴定来自第二无人驾驶飞行工具的声音中的谐波(操作602)。利用谐波和多个大气条件鉴定从第一无人驾驶飞行工具至第二无人驾驶飞行工具的距离(操作604)。
利用从第一无人驾驶飞行工具至第二无人驾驶飞行工具的距离操控第一无人驾驶飞行工具的飞行(操作606)，该过程随后终止。在这些说明性实施例中，如果它们位于相同的海拔上，则该距离可以是第一无人驾驶飞行工具和第二无人驾驶飞行工具之间相关的。因此，可仅需要距离来操控无人驾驶飞行工具的飞行。当然，当其他信息诸如方位角和高度存在时，可鉴定第二无人驾驶飞行工具的三维位置。
当额外的信息存在时，可实施无人驾驶飞行工具的额外类型的操控。例如，可使用无人驾驶飞行工具的飞行操控鉴定操作的程序安排(routing)，诸如监视或其他类型的数据收集。因此，当额外的信息存在时，可在操控无人驾驶飞行工具中实施除了避撞以外的其他操作。
在不同描绘的实施方式中的流程图和方块图图解了说明性实施方式中的装置和方法的一些可能实行的结构、功能性和操作。在这点上，流程图或方块图中的每个方块可代表模块、片段、功能和/或操作或步骤的一部分。例如，方块中的一个或多个作为程序代码、在硬件中或程序代码和硬件的组合实行。当在硬件中实行时，硬件可例如采用制造或配置来实施流程图或方块图中的一个或多个操作的集成电路的形式。
在说明性实施方式的一些可选实行中，方块中记录的功能或多个功能可不按图中记录的顺序发生。例如，在一些情况，连续显示的两个方块可基本上同时执行，或方块可有时以相反的顺序实施，这取决于所涉及的功能性。同样，除了在流程图或方块图中图解的方块，还可添加其他方块。
现在转至图7，根据说明性实施方式描绘了数据处理系统的图解。数据处理系统700可用于实行图2中的计算机系统219。在该说明性实施例中，数据处理系统700包括通信框架702，其提供了处理器单元704、内存706、永久存储器708、通信单元710、输入/输出(I/O)单元712和显示器714之间的通信。在该实施例中，通信框架可采用总线系统的形式。
处理器单元704用于执行可载入内存706的软件的指令。处理器单元704可为多个处理器、多处理器核或一些其他类型的处理器，这取决于具体实行。
内存706和永久存储器708是存储设备716的例子。存储设备是能够存储信息比如例如但不限于数据、函数形式的程序代码和/或在临时基础和/或永久基础上的其他合适信息的任何硬件。在这些说明性实施例中，存储设备716也可称为计算机可读存储设备。在这些实例中，内存706可以是，例如随机存取储存器或任何其他合适的易失或永久存储设备。永久存储器708可采取多种形式，这取决于具体实行。
例如，永久存储器708可包括一种或多种组件或设备。例如，永久存储器708可以是硬盘、闪存、可写光盘、可写磁带或上述的一些组合。永久存储器708使用的介质也可以是可移除的。例如，可移动硬盘可用于永久存储器708。
在这些说明性实施例中，通信单元710提供与其他数据处理系统或设备的通信。在这些说明性实施例中，通信单元710是网络接口卡。
输入/输出单元712允许与可与数据处理系统700连接的其他设备输入和输出数据。例如，输入/输出单元712可为使用者通过键盘、鼠标和/或一些其他合适的输入设备输入提供连接。进一步，输入/输出单元712可发送输出至打印机。显示器714提供将信息显示给使用者的机构。
操作系统的指令、应用和/或程序可位于存储设备716中，所述存储设备716与处理器单元704通过通信框架702通信。不同的实施方式的过程可通过处理器单元704使用计算机执行的指令实施，所述指令可位于内存比如内存706中。
这些指令称为程序代码、计算机可用的程序代码或计算机可读程序代码，其可被处理器单元704中的处理器读取和执行。不同的实施方式中程序代码可包含在不同的物理或计算机可读存储介质上，比如内存706或永久存储器708。
程序代码718以函数形式位于可选择性移除的计算机可读介质720中，并可被载入或转移至数据处理系统700用于通过处理器单元704执行。在这些说明性实施例中，程序代码718和计算机可读介质720形成计算机程序产品722。在一个实例中，计算机可读介质720可以为计算机可读存储介质724或计算机可读信号介质726。
在这些说明性实施例中，计算机可读存储介质724是用于存储程序代码718的物理或有形存储设备，而不是传播或传输程序代码718的媒介。
可选地，程序代码718可使用计算机可读信号介质726转移至数据处理系统700。计算机可读信号介质726可以是例如传播的包括程序代码718的数据信号。例如，计算机可读信号介质726可以是电磁信号、光信号和/或任何其他合适类型的信号。这些信号可通过通信链接，比如无线通信链接、光纤电缆、同轴电缆、电线和/或任何其他合适类型的通信链接传输。
为数据处理系统700图解的不同组件并不意味着对实行不同实施方式的方式提供结构限制。不同的说明性实施方式可在包括除了和/或代替为数据处理系统700图解的那些组件之外的组件的数据处理系统中实施。图7中显示的其他组件可不同于所显示的说明性实例。不同的实施方式可使用能够运行程序代码718的任何硬件设备或系统实行。
因此，所述说明性实施方式提供了鉴定关于声源的位置信息的方法和装置。利用所述说明性实施例，可鉴定声源和声音传感器之间的距离。声音的谐波以不同的速度行进通过大气。不同谐波的到达时间将是不同的。因此，该信息结合大气条件用于说明性实施例中，以鉴定声源和声学传感器系统之间的距离。
以该方式，所述说明性实施例提供了使用不发射能量的声学传感器的能力。因此，与有源传感器系统诸如雷达系统相比，根据说明性实施方式实行的定位系统的操作可能更难以检测到。该类型的定位系统的使用可特别可用于检测到那些工具的存在可能是不期望的无人驾驶飞行工具中。进一步地，根据说明性实施方式的定位系统的使用也可用于检测到平台的操作是不期望的任何种类的交通工具或平台中。
另外地，该类型的系统使用比有源定位系统更少的能量。因此，降低的能量使用可用于其中可能限制交通工具提供的动力的交通工具。
进一步地，除了利用定位系统200鉴定到其他交通工具的距离以外，定位系统200也可用于鉴定在二维或三维空间中的交通工具的位置。
说明性实施方式也可针对其他用途实行定位系统200，而不是针对用于确定到其他交通工具的距离的交通工具。例如，定位系统200也可用于监测系统或监视系统中。例如，定位系统200可用于鉴定枪开火、爆炸和其他类型声音的位置。
在附图和正文中，在一方面，公开了处理来自声源210的声音218的方法，该方法包括：检测来自声源210的声音218；鉴定来自声源210的声音218中的谐波224；和利用谐波224和多个大气条件226鉴定到声源210的距离222。在一种变型中，该方法进一步包括：利用到声源210的距离222以及到声源210的方位角234和到声源210的高度236中的至少一个鉴定声源210的位置238。在另一种变型中，该方法进一步包括：从声音218鉴定至声源210的方位角234和高度236中的至少一个。仍然在另一种变型中，该方法包括其中利用谐波224和多个大气条件226鉴定到声源210的距离222包括：鉴定谐波224中第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟326；和利用第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟326和由多个大气条件226造成的大气扩散鉴定到声源210的距离222。
还在另一种变型中，该方法包括其中利用第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟326和由多个大气条件226造成的大气扩散鉴定到声源210的距离222包括：利用第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟326和大气扩散因子鉴定到声源210的距离222，其中对第一谐波318和第二谐波320大气扩散因子考虑由多个大气条件226造成的扩散。在一个实施例中，该方法包括其中鉴定谐波224中第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟326包括鉴定第一谐波318的第一频率和第二谐波320的第二频率之间的相位延迟；和利用该相位延迟鉴定第一谐波318和第二谐波320之间的时间延迟326。在另一实施例中，该方法包括其中声音作为来自声学传感器系统204的声音数据306接收和其中鉴定来自声源210的声音218中的谐波224包括：利用傅里叶变换将声音数据306从时域转化至频域；在频域中鉴定声音数据306的频率的谱峰；和从谱峰鉴定谐波224。
仍然在另一实施例中，该方法包括其中距离222是从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106，并进一步包括：利用距离222操控第一无人驾驶飞行工具104的飞行以避免与第二无人驾驶飞行工具106的碰撞。还在另一实施例中，该方法包括其中距离222用于鉴定产生导致声音218中的谐波224的多次枪射击的声源210的位置238。仍然还在另一实施例中，该方法包括其中多个大气条件226选自湿度、压力和温度中的至少一个。在一个例子中，该方法包括其中声源210选自飞行器、无人驾驶飞行工具104和枪426之一。
在一方面，公开了操控第一无人驾驶飞行工具104相对于第二无人驾驶飞行工具106飞行的方法，该方法包括：检测来自第二无人驾驶飞行工具106的声音218；鉴定来自第二无人驾驶飞行工具106的声音218中的谐波224；利用谐波224和多个大气条件226鉴定从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106的距离222；和利用从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106的距离222操控第一无人驾驶飞行工具104的飞行。在一种变型中，该方法进一步包括：鉴定到第二无人驾驶飞行工具106的方位角234和到第二无人驾驶飞行工具106的高度236中的至少一个。在另一种变型中，该方法包括其中利用从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106的距离222操控第一无人驾驶飞行工具104的飞行包括：利用从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106的距离222以及朝向第二无人驾驶飞行工具106的方位角234和到第二无人驾驶飞行工具106的高度236中的至少一个操控第一无人驾驶飞行工具104的飞行。仍然在另一种变型中，该方法包括其中利用从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106的距离222操控第一无人驾驶飞行工具104的飞行包括：利用从第一无人驾驶飞行工具104至第二无人驾驶飞行工具106的距离222操控第一无人驾驶飞行工具104的飞行，以避免第一无人驾驶飞行工具104和第二无人驾驶飞行工具106之间的不期望的距离222。
在一方面，公开了装置，其包括：传感器系统，其配置来检测来自声源210的声音218；和声音处理器214，其配置来鉴定来自声源的声音218中的谐波224和利用谐波224和多个大气条件226鉴定到声源210的距离222。在一种变型中，该装置包括其中声音处理器214包括：距离鉴定器220，其配置来鉴定来自声源210的声音218中的谐波224和利用谐波224和多个大气条件226鉴定到声源210的距离222。在另一种变型中，该装置包括其中声音处理器214进一步包括：高度鉴定器232，其配置来鉴定声源210的高度236。仍然在另一种变型中，该装置包括其中声音处理器214进一步包括：方位角鉴定器231，其配置来鉴定到声源210的方位角234。在一个实施例中，该装置包括其中声音处理器214配置来利用到声源210的距离222以及到声源210的方位角234和到声源210的高度236中的至少一个鉴定声源210的位置238。
为了图解和描述的目的，已经提供了不同的说明性实施方式的描述，并且不打算是穷尽的或将实施方式限于所公开的形式。许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。进一步，不同的说明性实施方式可提供与其他说明性实施方式相比不同的特征。选择并且描述一种或多种所选的实施方式，以便最好地解释实施方式的原理、实际应用，并且使得本领域其他技术人员能够理解对具有适合所考虑具体应用的各种修改的各种实施方式的公开。

Claims (9)

1.处理来自声源(210)的声音(218)的方法，所述方法包括：
检测来自所述声源(210)的所述声音(218)，其中声音作为来自放置在交通工具上的声学传感器系统的声音数据接收；
鉴定来自所述声源(210)的所述声音(218)中的谐波(224)，其包括利用傅里叶变换将所述声音数据从时域转化至频域，在所述频域中鉴定所述声音数据中频率的谱峰，和从所述谱峰鉴定所述谐波；
鉴定所述谐波的多个大气条件和大气扩散因子；和
利用所述谐波(224)、所述多个大气条件(226)和所述大气扩散因子鉴定从所述交通工具到所述声源(210)的距离(222)，其包括鉴定所述谐波中第一谐波和第二谐波之间的时间延迟以及利用所述第一谐波和所述第二谐波之间的所述时间延迟和由所述多个大气条件造成的大气扩散鉴定到所述声源的所述距离，其中对所述第一谐波(318)和所述第二谐波(320)，所述大气扩散因子考虑由选自湿度、压力和温度中的至少一个的所述多个大气条件(226)造成的扩散；和
其中鉴定所述谐波(224)中所述第一谐波(318)和所述第二谐波(320)之间的所述时间延迟(326)包括：
鉴定所述第一谐波(318)的第一频率和所述第二谐波(320)的第二频率之间的相位延迟；和
利用所述相位延迟鉴定所述第一谐波(318)和所述第二谐波(320)之间的所述时间延迟(326)。
2.权利要求1所述的方法，进一步包括：
利用到所述声源(210)的所述距离(222)以及到所述声源(210)的方位角(234)和到所述声源(210)的高度(236)中的至少一个鉴定所述声源(210)的位置(238)；和
从所述声音(218)鉴定到所述声源(210)的方位角(234)和高度(236)中的至少一个。
3.权利要求1所述的方法，其中所述声源(210)选自飞行器、无人驾驶飞行工具(104)和枪(426)之一；
其中所述距离(222)用于鉴定产生造成所述声音(218)中的所述谐波(224)的多次枪射击的所述声源(210)的位置(238)。
4.权利要求1所述的方法，其中所述距离(222)从第一无人驾驶飞行工具(104)至第二无人驾驶飞行工具(106)，并进一步包括：
利用所述距离(222)操控所述第一无人驾驶飞行工具(104)的飞行，以避免与所述第二无人驾驶飞行工具(106)和相对于所述第二无人驾驶飞行工具(106)碰撞；
鉴定到所述第二无人驾驶飞行工具(106)的方位角(234)和到所述第二无人驾驶飞行工具(106)的高度(236)中的至少一个；
其中利用从所述第一无人驾驶飞行工具(104)至所述第二无人驾驶飞行工具(106)的所述距离(222)操控所述第一无人驾驶飞行工具(104)的所述飞行包括：
利用从所述第一无人驾驶飞行工具(104)至所述第二无人驾驶飞行工具(106)的所述距离(222)以及朝向所述第二无人驾驶飞行工具(106)的所述方位角(234)和到所述第二无人驾驶飞行工具(106)的所述高度(236)中的至少一个操控所述第一无人驾驶飞行工具(104)的飞行；或
利用从所述第一无人驾驶飞行工具(104)至所述第二无人驾驶飞行工具(106)的所述距离(222)操控所述第一无人驾驶飞行工具(104)的飞行，以避免所述第一无人驾驶飞行工具(104)和所述第二无人驾驶飞行工具(106)之间不期望的距离(222)。
5.一种处理来自声源(210)的声音(218)的装置，包括：
传感器系统，其配置来检测来自声源(210)的声音(218)，其中所述声音(218)作为来自放置在交通工具上的声学传感器系统的声音数据接收；和
声音处理器(214)，其配置来鉴定来自所述声源的所述声音(218)中的谐波(224)，其包括利用傅里叶变换将所述声音数据从时域转化至频域；
在所述频域中鉴定所述声音数据中频率的谱峰；
从所述谱峰鉴定所述谐波；
鉴定所述谐波的多个大气条件和大气扩散因子，和
利用所述谐波(224)、所述多个大气条件(226)和所述大气扩散因子鉴定从所述交通工具到所述声源(210)的距离(222)，其包括鉴定所述谐波中第一谐波和第二谐波之间的时间延迟以及利用所述第一谐波和所述第二谐波之间的所述时间延迟和由所述多个大气条件造成的大气扩散鉴定到所述声源的所述距离，其中对所述第一谐波(318)和所述第二谐波(320)，所述大气扩散因子考虑由选自湿度、压力和温度中的至少一个的所述多个大气条件(226)造成的扩散；和
其中鉴定所述谐波(224)中所述第一谐波(318)和所述第二谐波(320)之间的所述时间延迟(326)包括：
鉴定所述第一谐波(318)的第一频率和所述第二谐波(320)的第二频率之间的相位延迟；和
利用所述相位延迟鉴定所述第一谐波(318)和所述第二谐波(320)之间的所述时间延迟(326)。
6.权利要求5所述的装置，其中所述声音处理器(214)包括：
距离鉴定器(220)，其配置来鉴定来自所述声源(210)的所述声音(218)中的所述谐波(224)，并利用所述谐波(224)和所述多个大气条件(226)鉴定到所述声源(210)的所述距离(222)。
7.权利要求5所述的装置，其中所述声音处理器(214)进一步包括：
高度鉴定器(232)，其配置来鉴定所述声源(210)的高度(236)。
8.权利要求6所述的装置，其中所述声音处理器(214)进一步包括：
方位角鉴定器(231)，其配置来鉴定到所述声源(210)的方位角(234)。
9.权利要求6所述的装置，其中所述声音处理器(214)配置来利用到所述声源(210)的所述距离(222)以及到所述声源(210)的方位角(234)和到所述声源(210)的高度(236)中的至少一个鉴定所述声源(210)的位置(238)。
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