CN106054196B - 一种机场场面目标的声学定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机场场面目标的声学定位方法及装置，其中,机场场面目标的声学定位方法包括：步骤S1，接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；步骤S3，从所述N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；步骤S4，对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。本发明实现了对机场场面的声源目标进行高精度定位。

Description

一种机场场面目标的声学定位方法及装置

技术领域

本发明涉及声学定位技术领域，具体涉及一种机场场面目标的声学定位方法及装置。

背景技术

以电磁波为媒介的电学定位方法具有定位精度高、定位迅速、数据刷新率高的优点。然而，电学定位技术需进行电磁能量辐射和检测，通常技术复杂，成本较高，面临严重电磁干扰时很可能导致定位性能降低甚至失效，例如电离层波动对广播式自动相关监视系统定位信号的影响，日益复杂的机场电磁环境使定位信号产生混叠、畸变等。

基于光学的机场场面视频监视是场面监视技术的一个新研究方向。场面视频监视采用视频方式对机场重要区域实现实时全景监视，在正常气象条件和高能见度情况下，可以获取直观的机场场面运行态势。然而，视频监视易受光照条件影响和天气条件制约，距离实际应用还需解决图像去噪、夜间及雾天图像增强、运动目标跟踪等具体技术难题。

声学定位是通过测量目标发出的声音对目标进行定位。第一次世界大战时，法国军队就利用喇叭阵列判断声波传播方向而对敌军飞机进行探测，这是飞机声学定位的最早雏形。由于当时无线电定位相对声学定位更具科学原理和应用潜力，探测飞机的雷达监视技术得到了极大的研究和发展，而声学定位技术应用于飞机探测的研究几乎销声匿迹。近年，随着应用需求和技术的发展，针对飞机的声学定位研究又重新开展起来。

由于物理媒介不同，声学定位技术应用于机场场面目标定位具有一些独特的优点，鉴于无线电定位具有的主流地位以及场面目标声学定位的这些特点，对于电学定位设备较为完善、电磁环境比较复杂的大中型机场，声学定位可以作为一种有效的监视技术补充手段；而对于场面监视基础设施不足，还依赖于目视监视的小型机场，声学定位可以提供低成本的场面目标监视解决方案。因此提出一种机场场面目标的声学定位方法是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种机场场面目标的声学定位方法及装置，以实现对声源目标的高精度定位。

第一方面，本发明提供的机场场面目标的声学定位方法，包括如下步骤：

步骤S1，接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；

步骤S3，从所述N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；

步骤S4，对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。

所述步骤S4中的聚类是基于飞机自身发动机间距、姿态、位置进行的聚类。

其中所述步骤S4包括：

步骤S41，对步骤S3中获得的多个声源目标定位结果进行聚类；

步骤S42，判断所述聚类是否具有一致性；若是，则将聚类结果作为机场场面目标；若否，增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数，返回执行步骤S41。

所述步骤S42中聚类是否具有一致性是指定位出多个位置结果之间的距离是否都小于某个预定的距离，当然也可以采用其他方式判断上述聚类是否具有一致性。

由上述技术方案可知，本发明提供的机场场面目标的声学定位方法，由于是从N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，再基于子阵进行声源目标的定位，和直接采用N个节点阵元阵进行声源目标的定位相比，减少声源目标定位的计算量，可以实现快速准确对机场场面目标的声学定位，另外在对声源目标定位后对获得的多个定位结果进行聚类，从而实现了对声源目标高精度的定位。

其中所述步骤S1和步骤S3之间还包括：

步骤S2，根据所述N个声传感器节点阵元阵中声音信号的功率，选择T个有效的节点阵元阵；

所述步骤S3进一步为，从所述T个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位。

其中所述步骤S2包括：

步骤S21，实时分析布设的N个节点阵元阵中的每一所述节点阵元阵中的声音信号，选择所述声音信号中具有飞行器发动机的特征子带的节点阵元阵；

步骤S22，实时计算所述具有飞行器发动机特征子带的节点阵元阵在所述特征子带内的信号功率；

步骤S23，将所述信号功率大于预定功率阈值的T个节点阵元阵作为所述有效阵元节点。

由上述的技术方案可知，增加了有效节点阵元阵的选择步骤，进一步以子阵为基础进行声源目标的定位，减小了对声源目标进行定位时的计算量，从而加快了对声源目标进行定位的速度，同时以子阵为基础对声源目标定位结果进行聚类，进而提高声源目标的定位精度。

其中所述步骤S1中，基于机场场面N个声传感器节点阵元阵通过如下方式布设：

基于机场跑道的直线特点，所述节点阵元阵的阵元节点按照预设的间距布设于所述机场跑道的两旁。

基于机场联络道的弯曲特点，所述节点阵元阵的阵元节点布设于所述联络道的两旁，第二俯视扇面角大于第一俯视扇面角，第一俯视扇面角为位于机场跑道的节点阵元阵形成的固定空间波束的俯视角度，第二俯视扇面角为位于弯曲的机场联络道的节点阵元阵形成的固定空间波束的俯视角度；以及

基于机场联络道直角转弯的特点，所述节点阵元阵的阵元节点布设于所述联络道的两旁，第三俯视扇面角大于第二俯视扇面角，所述第三俯视扇面角为位于直角转弯的机场联络道的节点阵元阵形成的固定空间波束的俯视角度。

采用上述的方法对N个声传感器节点阵元阵进行布设可以抑制来自地面、低空和远场的干扰及噪声，将上述N个声传感器节点阵元阵信号处理区限定在机场场面的近场，最大限度地拾取近场目标声波，降低干扰声源数目，以提高对声源目标定位的准确性。

第二方面，本发明提供的机场场面目标的声学定位装置，包括：

声音信号接收单元，用于接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；

定位单元，用于从所述N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；

聚类单元，用于对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。

其中所述聚类单元包括：

聚类模块，用于对获得的多个声源目标定位结果进行聚类；

判断模块，用于判断所述聚类是否具有一致性；若是，则将聚类结果作为机场场面目标；若否，增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数，重新对多个声源目标定位结果进行聚类。

由上述技术方案可知，本发明提供的机场场面目标的声学定位装置是接收N个声传感器节点阵元阵输出的声音信号，从N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，进而采用谱估计基于每个子阵进行声源目标定位，减少了对声源目标进行定位时的计算量，另外在对声源目标定位后对获得的多个定位结果进行聚类，从而实现了对声源目标高精度的定位。

其中机场场面目标的声学定位装置还包括：

有效节点阵元阵选择单元，基于所述N个声传感器节点阵元阵中声音信号的功率，选择T个有效的节点阵元阵；

定位单元，具体用于从所述T个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位。

其中有效节点阵元阵选择单元包括：

信号分析模块，用于实时分析布设的N个节点阵元阵中的每一所述节点阵元阵中的声音信号，选择所述声音信号中具有飞行器发动机的特征子带的节点阵元阵；

功率计算模块，用于实时计算所述具有飞行器发动机特征子带的节点阵元阵在所述特征子带内的信号功率；

阵元确定模块，用于将所述信号功率大于预定功率阈值的T个节点阵元阵作为所述有效阵元节点。

由上述技术方案可知，本发明提供的机场场面目标的声学定位装置设置有定位单元可以实现对声源目标的快速定位，由于所述装置中设置有聚类单元，可以实现对声源目标的高精度定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种机场场面目标的声学定位方法的流程图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种机场场面目标的声学定位方法的流程图；

图3示出了本发明第三实施例所提供的一种机场场面目标的声学定位装置的结构框图；

图4示出了本发明第四实施例所提供的一种机场场面目标的声学定位装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种机场场面目标的声学定位方法，具体说明如下：

如图1所示，本发明实施例1提供了一种机场场面目标的声学定位方法，该方法的具体步骤如下：

步骤S1，接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；

步骤S3，从所述N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；

步骤S4，对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。

其中所述步骤S4中的聚类是基于飞机自身发动机间距、姿态、位置进行的聚类，提高了声源目标定位的准确性。

其中所述步骤S4包括：

步骤S41，对步骤S3中获得的多个声源目标定位进行聚类；

步骤S42，判断所述聚类是否具有一致性；若是，则将聚类结果作为机场场面目标；若否，增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数，返回执行步骤S41。

所述步骤S42中聚类是否具有一致性是指定位出的多个位置结果之间的距离是否都小于某个预定的距离。由于多个子阵定位出的位置结果必然存在一定差异，若位置结果之间的距离小于某个预定的距离，则可以此次获得的位置结果作为有效的目标位置，若超过预定的距离，则将该位置结果进行排除，不作为有效的目标位置。

由上述技术方案可知，本发明提供的机场场面目标的声学定位方法，由于是从N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，在基于子阵进行声源目标的定位，和直接采用N个节点阵元阵进行声源目标的定位相比，减少声源定位的计算量，可以实现快速准确对机场场面目标的声学定位，另外在对声源目标定位后对获得的多个声源目标定位结果进行聚类，同时当上述聚类不具有一致性时，通过增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数后重新对声源目标定位结果进行聚类，从而实现了对机场场面的声源目标进行高精度定位。

如图2所示，本发明实施例2提供了一种机场场面目标的声学定位方法，即在实施例1的步骤S1和步骤S之间还包括：

步骤S2，基于所述N个声传感器节点阵元阵中声音信号的功率，选择T个有效的节点阵元阵；

所述步骤S3进一步为，从所述T个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位。

从上面的技术方案可知，本实施例提供的声学定位装置是先从N个声传感器节点阵元阵中选择T个有效的节点阵元阵，再从上述T个有效的节点阵元阵选出M个子阵对声源目标进行定位，降低后续声源目标定位的计算复杂度，从而实现对声源目标的快速定位。

其中所述步骤S2具体包括：

步骤S21，实时分析布设的N个节点阵元阵中的每一所述节点阵元阵中的声音信号，选择所述声音信号中具有飞行器发动机的特征子带的节点阵元阵；

步骤S22，实时计算所述具有飞行器发动机特征子带的节点阵元阵在所述特征子带内的信号功率；

步骤S23，将所述信号功率大于预定功率阈值的T个节点阵元阵作为所述有效节点阵元阵。

由上述的技术方案可知，在计算得出的信号功率小于或等于预定功率阈值时，则表明声源目标超过节点阵元阵的检测范围，或者所接收的声音信号是经过障碍物反射形成的相干混响信号。在未检测出具有飞行器发动机的特征子带时，则表明声源目标不在节点阵元阵的检测范围，在计算得出的信号功率大于预定功率阈值时，表明检测到有效的节点阵元阵。

其中所述步骤S1中，基于机场场面N个声传感器节点阵元阵通过如下方式布设：

基于机场跑道的直线特点，所述节点阵元阵的阵元节点按照预设的间距布设于所述机场跑道的两旁，根据机场跑道和节点阵元阵的空间波束，所述间距可以为60米，或其他实验获得的数值，以使节点阵元阵的空间波束能够覆盖机场跑道。

基于机场联络道的弯曲特点，所述节点阵元阵的阵元节点布设于所述联络道的两旁；或者

基于机场联络道直角转弯的特点，所述节点阵元阵的阵元节点布设于所述联络道的两旁，每个节点阵元阵能够形成固定空间波束，其中，位于机场跑道的节点阵元阵形成具有第一俯视扇面角的固定空间波束，位于弯曲的机场联络道的节点阵元阵形成具有第二俯视扇面角的固定空间波束，位于直角转弯的机场联络道的节点阵元阵形成具有第三俯视扇面角的固定空间波束，且第一俯视扇面角小于第二俯视扇面角，第二俯视扇面角小于第三俯视扇面角，通常第一俯视扇面角小于180度。各个固定空间波束均能够覆盖机场跑道或机场联络道，同时各个空间波束还具有5°～20°的俯仰角，以获得最大限度的信干噪比。

以上所述基于机场场面N个声传感器节点阵元阵的布设方式属于固定波束赋形方式，具有空间选择性，有利于目标声音信号的检测，使得节点阵元阵的输出对期望方向入射的信号响应达到最大。在复杂声场景下，本发明实施例对声传感器节点阵元阵进行空间波束赋形的目的是抑制来自地面、低空和远场的干扰及噪声，将声传感器节点阵元阵的信号处理区限定在机场场面的近场，最大限度地拾取近场目标声波，降低干扰声源目标的数目。

根据机场场面的具体条件限制，节点阵元阵的阵元节点的布设可以充分利用机场现有助航灯，即节点阵元阵布局形态与助航灯布局形态相同。因此，节点阵元阵的总体布局会因不同机场而异，且根据具体机场而不同。

本发明提供了一种机场场面的目标声学定位装置，具体说明如下：

如图3所示，本发明实施例3提供了一种机场场面目标的声学定位装置，包括：

声音信号接收单元31，用于接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；

定位单元33，用于从所述N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；

聚类单元34，用于对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。

其中聚类单元34是基于飞机自身发动机间距、姿态、位置对多个声源目标定位结果进行的聚类，提高了声源目标定位的准确性。

其中所述聚类单元34包括：

聚类模块，用于对获得的多个声源目标定位结果进行聚类；

判断模块，用于判断所述聚类是否具有一致性；若是，则将聚类结果作为机场场面目标；若否，增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数，重新对多个声源目标定位结果进行聚类。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的机场场面的目标声学定位装置是接收N个声传感器节点阵元阵输出的声音信号，从N个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，进而采用谱估计基于每个子阵进行声源目标定位，减少了对声源目标进行定位时的计算量，另外在对声源目标定位后对获得的多个声源目标定位结果进行聚类，从而实现了对声源目标的高精度定位。

如图4所示，本发明实施例4提供了一种机场场面目标的声学定位装置，在实施例3的基础上还包括：

有效节点阵元阵选择单元32，基于所述N个声传感器节点阵元阵中声音信号的功率，选择T个有效的节点阵元阵；

定位单元33，用于从所述T个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位。

其中有效节点阵元阵选择单元包括：

信号分析模块，用于实时分析布设的N个节点阵元阵中的每一所述节点阵元阵中的声音信号，选择所述声音信号中具有飞行器发动机的特征子带的节点阵元阵；

功率计算模块，用于实时计算所述具有飞行器发动机特征子带的节点阵元阵在所述特征子带内的信号功率；

阵元确定模块，用于将所述信号功率大于预定功率阈值的T个节点阵元阵作为所述有效阵元节点。

由上述技术方案可知，本发明提供的机场场面的目标声学定位装置设置有定位单元可以实现对声源目标的快速定位，由于所述装置中设置有有效节点阵元阵选择单元，并基于有效节点阵元阵组成子阵来进行声学定位，从而可以实现对声源目标的高精度定位。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种机场场面目标的声学定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；

步骤S2，实时分析布设的N个声传感器节点阵元阵中的每一声传感器节点阵元阵中的声音信号，选择所述声音信号中具有飞行器发动机的特征子带的节点阵元阵；实时计算所述具有飞行器发动机特征子带的声传感器节点阵元阵在所述特征子带内的信号功率；将所述信号功率大于预定功率阈值的T个声传感器节点阵元阵作为有效节点阵元阵；

步骤S3，从所述T个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；

步骤S4，对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。

2.根据权利要求1所述的机场场面目标的声学定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41，对步骤S3中获得的多个声源目标定位结果进行聚类；

步骤S42，判断所述聚类是否具有一致性；若是，则将聚类结果作为机场场面目标；若否，增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数，返回执行步骤S41。

3.根据权利要求1所述的机场场面目标的声学定位方法，其特征在于，

所述步骤S1中，基于机场场面N个声传感器节点阵元阵通过如下方式布设：

基于机场跑道的直线特点，所述节点阵元阵的阵元节点按照预设的间距布设于所述机场跑道的两旁。

4.根据权利要求3所述的机场场面目标的声学定位方法，其特征在于，

所述步骤S1中，基于机场场面N个声传感器节点阵元阵通过如下方式布设：

基于机场联络道的弯曲特点，所述节点阵元阵的阵元节点布设于所述联络道的两旁，第二俯视扇面角大于第一俯视扇面角，所述第一俯视扇面角为位于机场跑道的节点阵元阵形成的固定空间波束的俯视角度，所述第二俯视扇面角为位于弯曲的机场联络道的节点阵元阵形成的固定空间波束的俯视角度；以及

基于机场联络道直角转弯的特点，所述节点阵元阵的阵元节点布设于所述联络道的两旁，第三俯视扇面角大于第二俯视扇面角，所述第三俯视扇面角为位于直角转弯的机场联络道的节点阵元阵形成的固定空间波束的俯视角度。

5.一种机场场面目标的声学定位装置，包括：

声音信号接收单元，用于接收基于机场场面布设的N个声传感器节点阵元阵所输出的声音信号；

有效节点阵元阵选择单元，用于实时分析布设的N个声传感器节点阵元阵中的每一声传感器节点阵元阵中的声音信号，选择所述声音信号中具有飞行器发动机的特征子带的节点阵元阵；实时计算所述具有飞行器发动机特征子带的声传感器节点阵元阵在所述特征子带内的信号功率；将所述信号功率大于预定功率阈值的T个声传感器节点阵元阵作为有效节点阵元阵；

定位单元，用于从所述T个声传感器节点阵元阵中任选M个节点阵元阵作为子阵，基于空间谱估计对个组合中每个子阵进行声源目标定位；

聚类单元，用于对多个声源目标定位结果进行聚类，基于聚类结果，获取机场场面目标的定位结果。

6.如权利要求5所述的声学定位装置，其特征在于，所述聚类单元包括：

聚类模块，用于对获得的多个声源目标定位结果进行聚类；

判断模块，用于判断所述聚类是否具有一致性；若是，则将聚类结果作为机场场面目标；若否，增加所述声传感器节点阵元阵的子阵的个数，重新对多个声源目标定位结果进行聚类。