CN105572637A - 一种远场声源定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种远场声源定位系统，包括：N个定位声传感器，1个参照声传感器和数据处理模块。还提供了一种基于上述远场声源定位系统的远场声源定位方法，包括：建立以O点为原点、竖直方向为z轴的空间坐标系；获取相对于参照声传感器，声源到第i定位声传感器的声程差cτ_i0，获取声源到O点的距离L，获取声源相对于O点的方向。本发明利用上述远场声源定位系统，以参照声传感器为基准，根据声源到各传感器的声程差，计算获得声源相对于O点的距离信息和方向信息，进而实现声源目标的定位，其误差与声源目标的方位角无关，定位结果准确。

Description

一种远场声源定位系统和方法

技术领域

本实发明涉及声源定位技术领域，尤其涉及一种远场声源定位系统和方法。

背景技术

现代战争中，低空/超低空空袭正成为局部战争的一种常态模式。其中，低空飞行目标一方面利用技术手段减小雷达横截面积(RCS)，另一方面充分利用地形，贴近地面入侵，对现有的探测预警手段构成了极大的挑战。

现有的雷达、光电等手段是主要的探测预警手段，但这些手段由于受地球曲率和地形地貌影响，同时易受天气及电磁干扰，因此对低空入侵的目标，尤其是对RCS小的目标探测能力不强，雷达和光电探测手段对低空/超低空目标就有些力有未逮。

声波波长较长，绕射和衍射能力较强，不易受地形影响，因此声探测是一种非视距探测手段，又加之其具有体积小、隐蔽性好、不受气候条件、电磁干扰影响、不易受到攻击，且费用低的优点，受到了国内外军方的高度重视。但目前见之报道的研究主要集中在应用于平面十字阵、平面五元阵及平面圆阵等平面阵。

但平面阵的距离定位精度和角度测量精度与声源目标方位角有关，致使声源目标在不同方向的时候，定位误差较大，出现定位不准确的状况。

发明内容

本发明的目的是提供一种远场声源定位系统和方法，以提高声源的定位精度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种远场声源定位系统，包括：

N个定位声传感器，所述定位声传感器均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心的圆周上，其中，N为不小于4的自然数；

1个参照声传感器，所述参照声传感器位于O点正上方，且与O点的距离为D；

数据处理模块，所述数据处理模块分别与定位声传感器和参照声传感器相连，用于接收声源的噪声数据，并对所述噪声数据进行计算，获得声源的位置信息。

还提供了一种基于上述远场声源定位系统的远场声源定位方法，该方法包括：

建立以O点为原点、竖直方向为z轴的空间坐标系；

获取相对于参照声传感器，声源到第一定位声传感器的声程差cτ₁₀，声源到第二定位声传感器的声程差cτ₂₀，…声源到第i定位声传感器的声程差cτ_i0…，声源到第N定位声传感器的声程差cτ_n0，其中，c为声速，τ_i0为相对于参照声传感器，声源到第i定位声传感器的延时时间；

获取声源到O点的距离L：

$L=\frac{{\mathrm{NR}}^2-c^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\τ}}_{i0}}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\τ}}_{i0}}^2};$

获取声源相对于O点的方向：

其中，为声源的方位角，θ为声源的俯仰角，为第i定位声传感器的方位角。

在上述技术方案中，本发明提供的远场声源定位系统和方法，利用参照声传感器和均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心圆周上的N个定位声传感器，以参照声传感器为基准，根据声源到各传感器的声程差，计算获得声源相对于O点的距离信息和方向信息，进而实现声源目标的定位。利用本发明提供的远场声源定位系统和方法获得的定位结果，其误差与声源目标的方位角无关，定位结果准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种远场声源定位系统俯视图；

图2为本发明提供的一种远场声源定位系统侧视图；

图3为本发明提供的一种远场声源定位系统的数据处理模块结构示意图；

图4为本发明提供的另一种远场声源定位系统结构示意图；

图5为本发明提供的一种远场声源定位系统的传感器支架结构示意图；

图6为本发明提供的一种远场声源定位系统方法所参考的空间坐标系。

图中：1、定位声传感器，2、参照声传感器，3、数据处理模块，31、声源距离定位单元，32、声源方向定位单元，4、数据存储模块，5、用户终端，11、底座，12、立杆，13、水平杆，14、横撑杆，15、斜拉杆，16、卡扣。

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。

实施例一

本实施例公开了一种远场声源定位系统，如图1和图2所示，该系统包括：

N个定位声传感器1，所述定位声传感器1均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心的圆周上，其中，N为不小于4的自然数；

1个参照声传感器2，所述参照声传感器位于O点正上方，且与O点的距离为D；

数据处理模块3，所述数据处理模块3分别与定位声传感器1和参照声传感器2相连，用于接收声源的噪声数据，并对所述噪声数据进行计算，获得声源的位置信息。

为了获得较高的定位精度，并使定位精度、系统结构及系统造价之间取得平衡，在本发明中，所述定位传感器1的个数N优选为10～12，所述半径R优选为为4m～6m，所述D与半径R的比值D/R不小于0.4。

在本实施例中，所述定位传感器1的个数N为12，所述半径R优选为4m，所述D与半径R的比值D/R优选为0.4。

如图3所示，所述数据处理模块，包括：

声源距离定位单元31，所述声源距离定位单元31分别与定位声传感器1和参照声传感器2相连，用于根据所述声源的噪声数据定位声源与O点间的距离，生成声源的距离信息；

声源方向定位单元32，所述声源方向定位单元32分别与定位声传感器1和参照声传感器2相连，用于根据所述声源的噪声数据定位声源的方向，生成声源的方向信息。

如图4所示，所述远场声源定位系统，还包括：

数据存储模块4，所述数据存储模块4与所述数据处理模块3相连，用于接收并存储所述声源的距离信息和方向信息‘

用户终端5，所述用户终端5分别与所述数据处理模块3和数据存储模块4相连，用于显示所述声源位置信息。

如图5所示，所述远场声源定位系统还包括传感器支架，所述传感器支架用于支撑固定所述定位传感器和参照传感器。

其中，该支架包括：

底座11、立杆12、水平杆13、横撑杆14、斜拉杆15和卡扣16。

在本实施例中，选用12个定位传感器1和1个参照声传感器2，相应的选取1根立杆12，所述立杆12固定在所述底座11上，所述参照声传感器2固定在所述立杆12上；12根水平杆13，所述水平杆13以立杆12为中心，水平均匀分布，其间隔角度相同，12个定位传感器1相应的固定在所述12根水平杆13上；12根横撑杆14，所述12根横撑杆14位于两个定位传感器1之间，与所述水平杆13一同固定所述12个定位传感器1；12根斜拉杆15，所述斜拉杆15的一端固定在所述立杆12的腰部，所述斜拉杆15的另一端固定在所述水平杆13的腰部，分以12个卡扣16固定，以使所述支架更加稳固。

本实施例提供的远场声源定位系统，利用参照声传感器和均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心圆周上的N个定位声传感器，以参照声传感器为基准，再根据声源到各传感器的声程差，计算获得声源相对于O点的距离信息和方向信息，进而实现声源目标的定位。利用本实施例提供的远场声源定位系统获得的定位结果，其误差与声源目标的方位角无关，定位结果准确。

本发明可应用于低空入侵目标警戒、要地防空及重大活动的安保工作，也可应用于民用领域的声源定位。

实施例二

本实施例公开了一种基于上述远场声源定位系统的远场声源定位方法，该方法包括：

如图6所示，建立以O点为原点、竖直方向为z轴的空间坐标系。其中，第一定位声传感器S₁位于x轴上，P’为声源P在水平面上的投影，θ为声源的俯仰角，为声源的方位角，为第i定位声传感器的方位角。

获取相对于参照声传感器S₀，声源P到第一定位声传感器S₁的声程差cτ₁₀，声源P到第二定位声传感器S₂的声程差cτ₂₀，…声源P到第i定位声传感器S_i的声程差cτ_i0…，声源P到第N定位声传感器Sn的声程差cτ_n0，其中，c为声速，τ_i0为相对于参照声传感器声源到第i定位声传感器的延时时间，若第i定位声传感器S_i到声源P距离较参照声传感器S₀的远，则τ_i0为正，反之为负。

获取声源到O点的距离L：

$L=\frac{{\mathrm{NR}}^2-c^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\τ}}_{i0}}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\τ}}_{i0}}^2}.$

具体的，所述获取声源到O点的距离L的过程，包括：

声源到参照声传感器的距离为L₀，声源坐标为(x，y，z)，则声源到O点的距离为第i定位声传感器的坐标为其中，则声源到第i定位声传感器间的距离为(L₀+cτ_i0)，则第i个定位声传感器到声源的距离关系式为：

对所述第i个定位声传感器到声源的距离关系式展开并用声源到O点的距离L进行替换，则有

其中，为声源的方位角；

对第一到第N个定位声传感器到声源的距离关系式求和，则有

由于N个定位声传感器均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心的圆周上，则有在远场条件下，L₀＝L，对式(3)求解，则有

$L=\frac{{\mathrm{NR}}^2-c^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}}---\left(4\right).$

获取声源相对于O点的方向：

其中，θ为声源的俯仰角，为声源的方位角，为第i定位声传感器的方位角。

具体的，所述获取声源相对于O点方向的过程，包括：

声源的方向向量为则相对于参照声传感器，声源到第i定位声传感器的声程差d_i0为：

则有

令 $Y=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{c\τ}}_{10}\\ {\mathrm{c\τ}}_{20}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{c\τ}}_{N0}\end{array}\right],$

由最小二乘估计法，可得：

其中， ${\left(H^{T}H\right)}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{{\mathrm{NR}}^2}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{{\mathrm{NR}}^2}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{{\mathrm{ND}}^2}\end{array}\right],$ 代入式(7)中，则

对式(8)求解，获得声源的俯仰角θ和方位角则有：

本实施例提供的远场声源定位方法，利用参照声传感器和均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心圆周上的N个定位声传感器，以参照声传感器为基准，根据声源到各传感器的声程差，计算获得声源相对于O点的距离信息和方向信息，进而实现声源目标的定位。利用本实施例提供的远场声源定位方法获得的定位结果，其误差与声源目标的方位角无关，定位结果准确。

实施例三

本实施例对上述实施例的结果进行误差分析：

由 $L=\frac{{\mathrm{NR}}^2-c^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}}---\left(4\right)$ 可见，声源目标的定位精度跟目标与阵列之间的距离、时延测量值误差，声速c测量误差以及定位传感器的分布半径R误差有关。由误差传递原理可知：

${\mathrm{\σ}}_L=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{L\τ}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Lc}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LR}}^2}---\left(11\right)$

式中，σ_Lτ、σ_Lc和σ_LR分别是由时延测量值误差，声速c测量误差以及位传感器的分布半径R误差引起的距离定位误差。

对式(4)求τ_i0的偏导，可得：

$\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\τ}}_{i0}}=-\frac{L+{\mathrm{c\τ}}_{i0}}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{i0}}---\left(12\right)$

对式(3)泰勒展开，且在远场条件下，可得：

故可得：

$\mathrm{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{i0}\≈\frac{{\mathrm{NR}}^2}{4\mathrm{cL}}[2-{\sin }^2\mathrm{\θ}]---\left(14\right)$

时延τ₁₀、τ₂₀，……，τ_n0的统计误差特性相同，均为σ_τ。

结合式(11)和式(13)，则由于时间误差导致的距离定位误差为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{L\τ}}=\sqrt{{\left(\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\τ}}_{10}}\right)}^2+{\left(\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\τ}}_{20}}\right)}^2+R+{\left(\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\τ}}_{i0}}\right)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\≈\frac{4\mathrm{cL}\sqrt{L^2+R^2}}{\sqrt{N}{R}^2(2-{\sin }^2\mathrm{\θ})}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}---\left(15\right)$

对式(4)求定位声传感器分布半径R偏导，可得由于定位声传感器分布半径R测量误差导致的定位精度误差：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LR}}=\frac{\∂L}{\∂R}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{NR}}{\mathrm{c\Σ}{\mathrm{\τ}}_{i0}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=4L{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}/R(2-{\sin }^2\mathrm{\θ})---\left(16\right)$

对式(4)求阵声速c的偏导，可得由于声速测量误差导致的定位精度误差：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Lc}}=\frac{\∂L}{\∂c}{\mathrm{\σ}}_c=(-\frac{L}{c}-\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{i0}^2}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{i0}}){\mathrm{\σ}}_c=\frac{L}{c}\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}+2}{{\sin }^2\mathrm{\θ}-2}{\mathrm{\σ}}_c---\left(17\right)$

于是，距离定位误差可表示为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{L}{2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}\×\sqrt{\frac{{16c}^2(L^2+R^2)}{{\mathrm{NR}}^4}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}^2+\frac{{({\sin }^2\mathrm{\θ}+2)}^2}{c^2}{\mathrm{\σ}}_c^2+\frac{16}{R^2}{\mathrm{\σ}}_R^2}---\left(18\right)$

由此可见，本发明所公开的远场声源定位系统和方法的距离定位误差与方位角无关，声源的距离定位准确。

由式(9)和式(10)可知，方位角和俯仰角误差只与时间测量误差有关。由式(9)对τ_i0求偏导，可得：

式中A、B定义如下，结合式(8)：

将式(20)和式(21)代入式(19)，可得：

由于时延τ₁₀、τ₂₀，……，τ_n0的统计误差特性相同，均为σ_τ。于是，由于时间误差导致的方位角定向精度误差为：

由式(10)对τ_i0求微分，可得：

C定义如下：

$C=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}=-\frac{\mathrm{ND}}{c}\cos \mathrm{\θ}---\left(25\right)$

于是，由于时间误差导致的俯仰角角定向精度误差为：

将A、B、C代入式(26)，并整理可得：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\τ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{\∂\mathrm{\θ}}{{\∂\mathrm{\τ}}_{i0}}\right)}^2}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\sqrt{\frac{c^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{ND}}^2}+\frac{{8c}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{NR}}^2}}---\left(27\right)$

由式(23)和式(27)可见，本发明所公开的远场声源定位系统和方法的方向定位误差与方位角无关，声源的方向定位准确。

以上对本发明所提供在线磨合进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种远场声源定位系统，其特征在于，包括：

N个定位声传感器，所述定位声传感器均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心的圆周上，其中，N为不小于4的自然数；

1个参照声传感器，所述参照声传感器位于O点正上方，且与O点的距离为D；

数据处理模块，所述数据处理模块分别与定位声传感器和参照声传感器相连，用于接收声源的噪声数据，并对所述噪声数据进行计算，获得声源的位置信息。

2.根据权利要求1所述远场声源定位系统，其特征在于，所述定位声传感器的个数N为10～12。

3.根据权利要求1所述远场声源定位系统，其特征在于，所述半径R为4m～6m。

4.根据权利要求1所述远场声源定位系统，其特征在于，所述D与半径R的比值D/R不小于0.4。

5.根据权利要求1所述远场声源定位系统，其特征在于，还包括传感器支架，所述传感器支架用于支撑固定所述定位传感器和参照传感器。

6.根据权利要求1所述远场声源定位系统，其特征在于，所述数据处理模块，包括：

声源距离定位单元，所述声源距离定位单元分别与定位声传感器和参照声传感器相连，用于根据所述噪声数据定位声源与O点间的距离，生成声源的距离信息；

声源方向定位单元，所述声源方向定位单元分别与定位声传感器和参照声传感器相连，用于根据所述噪声数据定位声源的方向，生成声源的方向信息。

7.根据权利要求1所述远场声源定位系统，其特征在于，还包括：

数据存储模块，所述数据存储模块与所述数据处理模块相连，用于接收并存储所述声源的距离信息和方向信息。

用户终端，所述用户终端分别与所述数据处理模块和数据存储模块相连，用于显示所述声源位置信息。

8.一种基于权利要求1～7所述远场声源定位系统的远场声源定位方法，其特征在于，包括：

建立以O点为原点、竖直方向为z轴的空间坐标系；

获取相对于参照声传感器，声源到第一定位声传感器的声程差cτ₁₀，声源到第二定位声传感器的声程差cτ₂₀，…声源到第i定位声传感器的声程差cτ_i0…，声源到第N定位声传感器的声程差cτ_n0，其中，c为声速，τ_i0为相对于参照声传感器，声源到第i定位声传感器的延时时间；

获取声源到O点的距离L：

$L=\frac{{\mathrm{NR}}^2-c^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\τ}}_{i0}}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\τ}}_{i0}}^2};$

获取声源相对于O点的方向：

其中，为声源的方位角，θ为声源的俯仰角为第i定位声传感器的方位角。

9.根据权要求8所述远场声源定位方法，其特征在于，所述获取声源到O点的距离L的过程，包括：

声源到参照声传感器的距离为L₀，声源坐标为(x，y，z)，则声源到O点的距离为第i定位声传感器的坐标为其中，则声源到第i定位声传感器间的距离为(L₀+cτ_i0)，则第i个定位声传感器到声源的距离关系式为：

对所述第i个定位声传感器到声源的距离关系展开并用声源到O点的距离L进行替换，则有

其中，为声源的方位角；

对第一到第N个定位声传感器到声源的距离关系式求和，则有

所述定位声传感器均匀水平分布在以R为半径、以O点为圆心的圆周上，则有在远场条件下，L₀＝L，则声源到O点的距离L为：

$L=\frac{{\mathrm{NR}}^2-c^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_{i0}}.$

10.根据权要求8所述远场声源定位方法，其特征在于，所述获取声源相对于O点方向的过程，包括：

声源的方向向量为则相对于参照声传感器，声源到第i定位声传感器的声程差d_i0为：

则有

令

由最小二乘估计法，可得：

其中， ${\left(H^{T}H\right)}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{{\mathrm{NR}}^2}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{{\mathrm{NR}}^2}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{{\mathrm{NR}}^2}\end{array}\right],$ 则

对上式求解，获得声源的方位角和俯仰角θ为：