CN103529428A - 一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，属于感知和测试技术领域。本发明的点声源被动声定位方法通过空间十元阵的中心基阵的各个节点计算相应的到达时间差，然后利用该到达时间差计算点声源的俯仰角与方位角；通过空间十元阵的外围基阵的各个节点计算相应的到达时间差，然后利用该到达时间差计算点声源的声程信息；最终根据所得俯仰角、方位角和声程信息计算出点声源的坐标。该点声源被动声定位方法避免了因声源特殊位置而产生的无法定位或者定位误差突变的情况，具有精度高、实用性强的优势。

Description

一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法

技术领域

本发明属于感知和测试技术领域，尤其涉及一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法。

背景技术

现有的被动声定位技术大体上分为三类：(1)基于最大输出功率的可控波束形成技术；(2)基于高分辨率谱估计技术；(3)基于到达时间差TDOA(TimeDifference of Arrival)的定位技术。相对于前两种方法理论复杂，计算量大，TDOA技术具有简单实用、计算量小等特点，得到广泛应用。

但是，传统的基于TDOA的被动声定位算法是根据TDOA的测量值Δt以及声波的传播速度直接计算出目标与两个测量基元之间的声程差Δr，Δr＝c*Δt。从几何学可以知道，二维空间中到空间两点的声程差为定值的点的轨迹是双曲线。所以利用TDOA来测量目标位置实际上是求解多个双曲线的公共交汇点，因此也称为双曲线定位法。以往基于TDOA的被动声定位方法，通常用立体四元或者五元基阵估算目标相对于该基阵中心的方位角

以及俯仰角θ，然后通过两两基阵的角度信息融合，计算出声源的位置。该方法的不足之处在于，当声源与两基阵处于或接近直线排列时，无法进行交汇定位或者定位误差非常大，而且当测试范围非常大时，该类方法所需要的节点密度相对较大，成本很高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，本方法通过分别求出声源在球坐标下的俯仰角、方位角以及极半径(声程)，然后将其转化为XYZ直角坐标系下的坐标，能简化求解过程，避免上述因声源特殊位置而产生的无法定位或者定位误差突变的情况，且大范围定位时，所需传感器节点的密度大大减小，精度得到一定程度提升。

本发明的一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法包括：

步骤1，建立XYZ直角坐标系，将空间十元阵在所述XYZ直角坐标系中按特定位置布设，其中所述空间十元阵包括中心基阵和外围基阵，所述中心基阵包含第1节点、第2节点、第3节点、第4节点和第5节点，所述外围基阵包含第0节点、第6节点、第7节点、第8节点和第9节点；所述第0节点位于所述XYZ直角坐标系的坐标原点，所述第7节点、第3节点、第5节点、第9节点位于X轴，所述第8节点、第4节点、第2节点、第6节点位于Y轴，所述第1节点位于Z轴；

其中，除第1节点外的另外9个节点处于同一水平面，且所述第1节点高度高于该水平面，设其高度为H；

所述第2节点、第3节点、第4节点、第5节点与第0节点的距离相同，该距离设为R₁，并称该R₁为所述中心基阵的孔径；

所述第6节点、第7节点、第8节点、第9节点与第0节点的距离相同，该距离设为R₂，并称该R₂为所述外围基阵的孔径；

步骤2，点声源P(x，y，z)发出声波，该声波触发所述空间十元阵的各个节点，每个节点将其相应的触发时刻通过有线或无线方式传输到测控终端，所述触发时刻是所述点声源发出的声波传递到节点时的时刻；

其中，P(x，y，z)为所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标，以所述XYZ直角坐标系的坐标原点为原点，建立球坐标系，其中俯仰角θ为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，方位角

为有向线段OP在坐标平面XOY的投影与X轴正向之间的所夹的角，OP之间的距离为极半径(声程)L；

步骤3，所述测控终端根据所述中心基阵的各个节点的触发时刻计算第2节点、第3节点、第4节点和第5节点相对于第1节点的到达时间差τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，其中τ_ij＝t_i-t_j，i＝2、3、4、5；j＝1，t_i和t_j分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；

所述测控终端根据所述外围基阵的各个节点的触发时刻计算第6节点、第7节点、第8节点和第9节点相对于第0节点的到达时间差τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，其中τ_ij＝t_i-t_j，i＝6、7、8、9；j＝0，t_i和t_j分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；

步骤4，根据所述中心基阵的各个节点计算的到达时间差τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，高度差H和中心基阵的孔径R₁，利用公式

和

计算所述点声源P(x，y，z)的俯仰角θ与方位角

根据所述外围基阵的各个节点计算的到达时间差τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，外围基阵孔径R₂和有效声速v，利用公式

计算所述点声源P(x，y，z)距离第0节点的声程信息L；

步骤5，根据所述俯仰角θ与方位角

和声程信息L利用公式

z＝Lcos(θ)计算所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标P(x，y，z)。

进一步的，所述空间十元阵中的节点的位置通过精密定位设备测定，且精度要求小于2cm。

本发明的有益效果为：

与多基阵角度信息融合不同，本方法在球面坐标系中，分别求出声源的俯仰角，方位角以及极半径(声程)，然后根据公式转化为XYZ坐标系下的坐标，极大的简化了求解过程，且克服了以往多基阵交汇定位中，当声源与两基阵处于同一直线上时，无法定位或定位误差很大的缺点；避免了上述因声源特殊位置而产生的无法定位或者定位误差突变的情况，且大范围定位时，所需传感器节点的密度大大减小，成本大大降低；算法简单，充分利用了中心基阵角度定位精度高，而外围基阵声程估算精度高的优点，在500m×500m范围内，定位精度可达1m以内。

附图说明

图1是本发明的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法的空间十元阵的节点布置示意图；

图2是实施本发明的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法的示意图；

图3是基于空间十元阵的点声源被动声定位方法流程图。

具体实施方式

图1是本发明的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法的空间十元阵的节点布置示意图。如图1所示，本发明的空间十元阵包含10个传感器节点，每个节点带有声传感器，声信号触发时刻获取装置，相应的处理和控制电路，电源，以及有线/无线数据收发模块等。该十元阵包含两部分：中心基阵与外围基阵，中心基阵包含第1节点、第2节点、第3节点、第4节点和第5节点，外围基阵包含第0节点、第6节点、第7节点、第8节点和第9节点；将第0节点置于所建XYZ直角坐标系的坐标原点，第7节点、第3节点、第5节点、第9节点置于X轴，第8节点、第4节点、第2节点、第6节点置于Y轴，第1节点置于Z轴。除第1节点外的另外0、2、3、4、5、6、7、8、9共9个节点处于同一水平面，其中第2节点、第3节点、第4节点、第5节点与第0节点的距离相同，为中心基阵的孔径R₁＝1.5m，第6节点、第7节点、第8节点、第9节点与第0节点的距离相同，为外围基阵孔径R₂＝120m，第1节点高度高于其他9各节点构成的水平面，高度差为H＝1m。

该方法实施时，利用全站仪或者GPS等精确定位设备给出各个节点的特定位置，将各个节点精确固定在各自位置上，要求位置误差不超过2cm。

图2是实施本发明的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法的工作示意图，各节点通过有线或无线方式与测控终端相连，将各节点的触发时刻发送到测控终端进行计算。

图3所示为基于空间十元阵的点声源被动声定位方法流程图。如图3所示，本发明的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法包含以下步骤：

步骤1)按照指定位置布设空间十元阵的各个节点。

步骤2)点声源发出声波，触发各个节点，每个节点将触发时刻通过有线或无线方式传输到测控终端。

步骤3)测控终端根据各个节点的触发时刻计算节点2、3、4、5相对于节点1的到达时间差(中心基阵)τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，其中τ_ij＝t_i-t_j(i＝2、3、4、5；j＝1)，t_i和t_j分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；以及节点6、7、8、9相对于节点0的到达时间差(外围基阵)τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，其中τ_ij＝t_i-t_j(i＝6、7、8、9；j＝0)，t_i和t_j分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻。

步骤4)测控终端通过中心基阵各个节点所计算的到达时间差τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，高度差H和中心基阵的孔径R₁，用下式计算点声源相对于中心坐标系的俯仰角θ与方位角，该式是立体五元阵定位常用的角度计算公式：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{2H\sqrt{{({\mathrm{\τ}}_{51}-{\mathrm{\τ}}_{31})}^2+{({\mathrm{\τ}}_{41}-{\mathrm{\τ}}_{21})}^2}}{R_1({\mathrm{\τ}}_{41}+{\mathrm{\τ}}_{21}+{\mathrm{\τ}}_{51}+{\mathrm{\τ}}_{31})}\right);$

步骤5)测控终端通过外围基阵各个节点计算的到达时间差τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，外围基阵孔径R₂和有效声速v，用下式计算点声源P(x，y，z)与坐标原点O，即第0节点的距离L(声程)：

$L=\frac{\frac{{{4R}_2}^2}{v}-v({{\mathrm{\τ}}_{60}}^2+{{\mathrm{\τ}}_{70}}^2+{{\mathrm{\τ}}_{80}}^2+{{\mathrm{\τ}}_{90}}^2)}{2({\mathrm{\τ}}_{60}+{\mathrm{\τ}}_{70}+{\mathrm{\τ}}_{80}+{\mathrm{\τ}}_{90})}.$

步骤6)根据步骤4)以及步骤5)中得到的角度和声程信息，用下式计算点声源在XYZ坐标系中的坐标P(x，y，z)：

z＝Lcos(θ)。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，建立XYZ直角坐标系，将空间十元阵在所述XYZ直角坐标系中按特定位置布设，其中所述空间十元阵包括中心基阵和外围基阵，所述中心基阵包含第1节点、第2节点、第3节点、第4节点和第5节点，所述外围基阵包含第0节点、第6节点、第7节点、第8节点和第9节点；所述第0节点位于所述XYZ直角坐标系的坐标原点，所述第7节点、第3节点、第5节点、第9节点位于X轴，所述第8节点、第4节点、第2节点、第6节点位于Y轴，所述第1节点位于Z轴；

其中，除第1节点外的另外9个节点处于同一水平面，且所述第1节点高度高于该水平面，设其高度为H；

所述第2节点、第3节点、第4节点、第5节点与第0节点的距离相同，该距离设为R₁，并称该R₁为所述中心基阵的孔径；

所述第6节点、第7节点、第8节点、第9节点与第0节点的距离相同，该距离设为R₂，并称该R₂为所述外围基阵的孔径；

步骤2，点声源P(x，y，z)发出声波，该声波触发所述空间十元阵的各个节点，每个节点将其相应的触发时刻通过有线或无线方式传输到测控终端，所述触发时刻是所述点声源发出的声波传递到节点时的时刻；

其中，P(x，y，z)为所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标，以所述XYZ直角坐标系的坐标原点为原点，建立球坐标系，其中俯仰角θ为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，方位角

为有向线段OP在坐标平面XOY的投影与X轴正向之间的所夹的角，OP之间的距离为极半径L；

步骤3，所述测控终端根据所述中心基阵的各个节点的触发时刻计算第2节点、第3节点、第4节点和第5节点相对于第1节点的到达时间差τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，其中τ_ij＝t_i-t_j，i＝2、3、4、5；j＝1，t_i和t_j分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；

所述测控终端根据所述外围基阵的各个节点的触发时刻计算第6节点、第7节点、第8节点和第9节点相对于第0节点的到达时间差τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，其中τ_ij＝t_i-t_j，i＝6、7、8、9；j＝0，t_i和t_j分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；

步骤4，根据所述中心基阵的各个节点计算的到达时间差τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，高度差H和中心基阵的孔径R₁，利用公式

和

计算所述点声源P(x，y，z)的俯仰角θ与方位角；

根据所述外围基阵的各个节点计算的到达时间差τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，外围基阵孔径R₂和有效声速v，利用公式

计算所述点声源P(x，y，z)距离第0节点的声程信息L；

步骤5，根据所述俯仰角θ与方位角

和声程信息L利用公式

z＝Lcos(θ)计算所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标P(x，y，z)。

2.如权利要求1所述的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，其特征在于，所述空间十元阵中的节点的位置通过精密定位设备测定，且精度要求小于2cm。

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