CN105388470A - 一种估计目标运动参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种估计目标运动参数的方法，该方法应用于主要由单传声器阵列和信号采集处理主机构成的系统中，包括以下步骤：信号采集处理主机根据待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线，根据谱线估计出待测目标运动的速度和最近距离；信号采集处理主机根据单传声器阵列的波达方向估计待测目标在不同时刻的方位角；信号采集处理主机根据待测目标运动的速度、最近距离以及待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标的坐标值。本发明成本低，布设简单，可有效估计目标运动的多个参数并对其进行跟踪。

Description

一种估计目标运动参数的方法

技术领域

本发明涉及目标探测、安防等领域，尤其涉及一种估计目标运动参数的方法。

背景技术

随着传感器技术和信号处理技术的快速发展与小型无人机的应用普及，利用声学方法探测低空飞行器逐渐受到重视。相比于常规的雷达探测手段，声学探测方法作为被动探测手段，具备的优势包括：隐蔽性好，不受电磁干扰的影响；对目标没有严格的通视要求，受能见度限制和天气的影响较小；体积和质量小，成本和能源要求低，易于布设等。在城市、机场等环境中利用声学方法准确探测低空飞行器的位置与运动轨迹具有一定的应用前景。

目前，基于声学手段的低空飞行器探测方法有很多种，如时延估计、多普勒效应、多径干涉效应、纯方位运动分析等。在定位与实时跟踪方面应用最广泛的方法是纯方位运动分析，指利用阵列接收到的声信号估计出目标的方位，再利用不同节点的方位信息采用三角定位的方法估计其方位并实现跟踪。这种方法一般需要两个以上的静止节点或者至少一个带有实时定位设备的运动节点，代表性的跟踪算法为卡尔曼滤波算法。

例如图1多节点三角定位示意图所示，这类算法或者需要节点组网，利用上位节点同步处理数据，缺点是系统成本较高，布设较为复杂，又例如图2所示的运动节点定位示意图，这类算法或者需要测点保持移动，并需要时刻知道测点当前位置，成本较高不便于长期稳定使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种估计目标运动参数的方法，该方法应用于主要由单传声器阵列和信号采集处理主机构成的系统中。

该方法利用信号采集处理主机采集运动目标辐射的声信号，根据运动目标的声信号中产生的多普勒频移的谱线估计其运动速度及最近距离，根据单传声阵列的波达方向DOA(DirectionofArrival)连续估计待测目标的方位角，并综合得到待测目标的水平距离、高度、运动方向和速度等多种运动参数。该方法尤其可有效提高单个传声器阵列针对低空目标的探测能力。该方法具体包括：

信号采集处理主机根据待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线，根据谱线估计出待测目标运动的速度和最近距离；信号采集处理主机根据单传声器阵列的波达方向估计待测目标在不同时刻的方位角；信号采集处理主机根据待测目标运动的速度、最近距离以及待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标的坐标值。

优选地，待测目标的运动速度和最近距离，通过以下公式估计得到：

$f\left(t\right)=\frac{f_0{c}^2}{c^2-v^2}\[1-\frac{v^2(t-{\mathrm{\τ}}_c)}{\sqrt{R_c^2(c^2-v^2)+c^2{v}^2{(t-{\mathrm{\τ}}_c)}^2}}\]$

其中，t为某时刻，f(t)为在t时刻信号采集处理主机根据待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线，f₀为待测目标声信号的某个特征频率，c为声速参数，R_c为待测目标运动轨迹与单传声器阵列的最近距离，v为待测目标在最近距离点的运动速度，τ_c为待测目标到达最近距离点的时刻。

优选地，信号采集处理主机根据待测目标运动的速度、最近距离以及待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标的坐标值，具体方法包括：

信号采集处理主机根据待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标运动轨迹的方向；信号采集处理主机根据待测目标运动的速度、在不同时刻的方位角和待测目标运动轨迹的方向估计待测目标运动轨迹的水平距离；信号采集处理主机根据待测目标运动轨迹的水平距离和待测目标的最近距离估计待测目标的高度；信号采集处理主机根据待测目标运动轨迹的水平距离和待测目标运动轨迹的方向估计待测目标运动的直线轨迹；信号采集处理主机根据待测目标运动的直线轨迹、在不同时刻的方位角和待测目标的高度估计待测目标的坐标值。

优选地，待测目标运动轨迹的方向，通过以下公式估计得到：

其中，为待测目标运动轨迹的方向角，t₁、t₂、t₃代表不同时刻，θ为待测目标在不同时刻的方位角，θ₁、θ₂、θ₃分别对应待测目标在t₁、t₂、t₃时刻的方位角。

优选地，待测目标运动轨迹的水平距离，通过以下公式估计得到：

其中，L为待测目标运动轨迹的水平距离。

优选地，待测目标的高度，通过以下公式估计得到：

$h=\sqrt{R_c^2-L^2}$

其中，h为待测目标的高度。

优选地，待测目标的直线轨迹，通过以下公式估计得到：

其中，x为待测目标的横坐标，y为待测目标的纵坐标，z为待测目标的垂直坐标。

优选地，待测目标的坐标值，通过以下公式估计得到：

其中，x(t)为待测目标在t时刻的横坐标，y(t)为t待测目标在时刻的纵坐标，z(t)为待测目标在t时刻的垂直坐标，θ(t)为待测目标在t时刻的方位角。

采用本发明的技术优势在于：

1、采用单个静止的声阵列，相比于节点网络和运动节点的探测方式可以有效地降低成本。

2、结合目标声信号的多普勒频移特征和目标所在的方位角信息估计出目标的速度、高度、直线运动方向等信息。

3、利用目标运动所在的直线轨迹和方位角确定目标的当前位置，可对目标进行跟踪。

附图说明

图1为现有技术多节点三角定位目标运动轨迹示意图；

图2为现有技术运动节点定位目标运动轨迹示意图；

图3为本发明实施例提供的一种估计目标运动参数的方法流程示意图；

图4为图3所示方法的步骤303的细化流程示意图；

图5为本发明实施例提供的待测目标运动轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以及具体实施例做进一步的解释说明。

图3为本发明实施例提供的一种估计目标运动参数的方法流程示意图，该方法应用于单个静止的声阵列和信号采集处理主机构成的系统中，可用来估计目标的运动轨迹。尤其适合用来估计低空飞行目标的运动轨迹。且单传声器阵列为平面阵列至少可以估计出平面内360度范围内的方位角。该方法包括步骤301-303:

在步骤301，信号采集处理主机根据待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线，当待测目标以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成目标声信号的相位和频率发生变化，通常将这种变化称为多普勒频移。可根据谱线估计出待测目标运动的速度和最近距离。

通过以下公式估计得到：

$f\left(t\right)=\frac{f_0{c}^2}{c^2-v^2}\[1-\frac{v^2(t-{\mathrm{\τ}}_c)}{\sqrt{R_c^2(c^2-v^2)+c^2{v}^2{(t-{\mathrm{\τ}}_c)}^2}}\]$

其中，t为某时刻，f(t)为在t时刻信号采集处理主机根据待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线，f₀为待测目标的某个特征频率，c为声速参数，R_c为待测目标运动轨迹与单传声器阵列的最近距离，v为待测目标在最近距离点的运动速度，τ_c为待测目标到达最近距离点的时刻。

在步骤302，信号采集处理主机根据单传声器阵列的波达方向估计待测目标在不同时刻的方位角。

需要说明的是，该方位角可根据目标声信号特点，采用传统阵列信号处理的相关算法估算，例如，阵列的波达方向估计算法等传统的传声器阵列测向算法，这里我们不需要限定某一种。这种估算方法是本领域技术人员所熟知的，因此不再赘述以免模糊本发明的主题。

在步骤303，信号采集处理主机根据待测目标运动的速度、最近距离以及待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标的坐标值。具体步骤及其所用公式可参见图4说明。

图4为图3所示方法步骤303的细化流程示意图。如图4所示，该方法的步骤303又包括步骤401-405:

在步骤401，信号采集处理主机利用待测目标在观测时间内的方位角估计出待测目标运动轨迹的方向

其中，为待测目标运动轨迹的方向角，t₁、t₂、t₃代表不同时刻，θ为待测目标在不同时刻的方位角，θ₁、θ₂、θ₃分别对应待测目标在t₁、t₂、t₃时刻的方位角。

在步骤402，信号采集处理主机结合待测目标运动速度v，方向和方位角θ估计出运动轨迹的水平距离L。

其中，L为待测目标运动轨迹的水平距离。

在步骤403，信号采集处理主机根据待测目标运动轨迹的水平距离L和待测目标的最近距离R_c估计待测目标的高度h。

$h=\sqrt{R_c^2-L^2}$

其中，h为待测目标的高度。

在步骤404，信号采集处理主机根据待测目标运动轨迹的水平距离L和待测目标运动轨迹的方向估计待测目标运动的直线轨迹。

其中，x为待测目标的横坐标，y为待测目标的纵坐标，z为待测目标的垂直坐标。

在步骤405，信号采集处理主机根据待测目标运动的直线轨迹、在不同时刻的方位角θ和待测目标的高度h估计待测目标的坐标值。

其中，x(t)为待测目标在t时刻的横坐标，y(t)为t待测目标在时刻的纵坐标，z(t)为待测目标在t时刻的垂直坐标，θ(t)为待测目标在t时刻的方位角。

图5为本发明实施例提供的一种估计目标运动参数的方法所对应的待测目标飞行轨迹示意图。如图5所示：待测目标飞行轨迹与传声器的最近点为CPA，待测目标到达最近距离点CPA的时刻为τ_c，t_c时刻待测目标运动轨迹与单传声器阵列的最近距离为R_c(t_c)，待测目标在最近距离点的运动速度为v，待测目标在不同时刻的方位角为θ，待测目标运动轨迹的方向角为待测目标运动轨迹的水平距离为L，待测目标的高度为h，待测目标的横坐标为x，待测目标的纵坐标为y，待测目标的垂直坐标为z等。

采用本发明实施例提供的一种估计目标运动参数的方法，采用单个静止的声阵列，相比于节点网络和运动节点的探测方式可以有效地降低成本，其中，单传声阵列的设计方式仅是可能采取的一种方式，不限于上述平面阵列，亦可采用其他形式的传声器阵列。本发明实施例提供的方法结合待测目标声信号的多普勒频移特征和目标所在的方位角信息估计出目标的直线运动轨迹；利用待测目标运动所在的直线轨迹和方位角确定目标的当前位置，同时可对待测目标进行跟踪；传声器阵列的传声器数量及阵型方式可根据信号处理算法及实际布设条件灵活调整；采用本发明实施例提供的方法法估计目标运动参数，系统成本低，布设简单，具有很好的应用前景。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种估计目标运动参数的方法，应用于主要由单传声器阵列和信号采集处理主机构成的系统中，其特征在于，所述方法包括：

所述信号采集处理主机根据待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线，根据所述谱线估计出待测目标运动的速度和最近距离；

所述信号采集处理主机根据所述单传声器阵列的波达方向估计待测目标在不同时刻的方位角；

所述信号采集处理主机根据所述待测目标运动的速度、最近距离以及所述待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标的坐标值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动速度和所述最近距离，通过以下公式估计得到：

$f\left(t\right)=\frac{f_0{c}^2}{c^2-v^2}\[1-\frac{v^2\left(t-{\mathrm{\τ}}_c\right)}{\sqrt{R_c^2(c^2-v^2)+c^2{v}^2{(t-{\mathrm{\τ}}_c)}^2}}\]$

其中，t为某时刻，f(t)为在t时刻信号采集处理主机根据单传声器阵列测得待测目标声信号的频谱提取发生多普勒频移的谱线的频率，f₀为待测目标声信号的某个特征频率，c为声速参数，R_c为待测目标运动轨迹与单传声器阵列的最近距离，v为待测目标在最近距离点的运动速度，τ_c为待测目标到达最近距离点的时刻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号采集处理主机根据所述待测目标运动的速度、最近距离以及所述待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标的坐标值，具体方法包括：

所述信号采集处理主机根据所述待测目标在不同时刻的方位角估计待测目标运动轨迹的方向；

所述信号采集处理主机根据所述待测目标运动的速度、在不同时刻的方位角和所述待测目标运动轨迹的方向估计待测目标运动轨迹的水平距离；

所述信号采集处理主机根据所述待测目标运动轨迹的水平距离和所述待测目标的最近距离估计待测目标的高度；

所述信号采集处理主机根据所述待测目标运动轨迹的水平距离和所述待测目标运动轨迹的方向估计待测目标运动的直线轨迹；

所述信号采集处理主机根据所述待测目标运动的直线轨迹、在不同时刻的方位角和所述待测目标的高度估计待测目标的坐标值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述运动轨迹的方向，通过以下公式估计得到：

其中，为待测目标运动轨迹的方向角，t₁、t₂、t₃代表不同时刻，θ为待测目标在不同时刻的方位角，θ₁、θ₂、θ₃分别对应待测目标在t₁、t₂、t₃时刻的方位角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述运动轨迹的水平距离，通过以下公式估计得到：

其中，L为待测目标运动轨迹的水平距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高度，通过以下公式估计得到：

$h=\sqrt{R_c^2-L^2}$

其中，h为待测目标的高度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述直线轨迹，通过以下公式估计得到：

其中，x为待测目标的横坐标，y为待测目标的纵坐标，z为待测目标的垂直坐标。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述坐标值，通过以下公式估计得到：

其中，x(t)为待测目标在t时刻的横坐标，y(t)为t待测目标在时刻的纵坐标，z(t)为待测目标在t时刻的垂直坐标，θ(t)为待测目标在t时刻的方位角。