CN107290716B - 一种双信号源分离定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双信号源分离定位方法，包括：首先根据双信号源传播区域的几何约束，采用传感网系统中长基线阵模块、短基线阵模块相结合的布局方式将传感器节点进行模块化分组，首先由短基线阵模块进行TDOA定位，再将各短基线阵模块定位结果进行聚类，实现双目标源的初步定位，再将初步定位结果反馈到长基线阵模块中，最终实现双目标源的精确定位。

Description

一种双信号源分离定位方法

技术领域

本发明涉及多信号源分离定位领域，特别涉及一种双信号源分离定位方法。

背景技术

多目标信号源分离定位系统是一个集多目标源信号采集、信号特征提取、交错信号分离和多目标源精确定位为一体的综合传感系统。该系统应用广泛，如靶场弹着点分离定位、室内视频会议等。多信号源分离的方法一般是根据多个信号源信号特征的不同来进行分离，分离后再由多个传感器根据不同的测量参数(如：TDOA时延、AOA角度等)实现各信号源的定位。但是，根据信号特征进行分离也存在一些局限性，当目标源信号复杂、信号特征难以提取时，或者各信号源信号特征相似时，将很难对多个信号源进行有效的辨别、分离，进而难以实现定位。靶场弹着点定位系统中，就存在各炸点信号特征相似从而多信号源难以分离定位的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中在双目标源信号特征难以提取或相似时，各目标源的分离定位难以实现的问题，从而提供一种基于TDOA(Time different of Arrival，到达时间差)的定位方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双信号源分离定位方法，包括：

首先根据双信号源传播区域的几何约束，采用传感网系统中长基线阵模块、短基线阵模块相结合的布局方式将传感器节点进行模块化分组，首先由短基线阵模块进行TDOA定位，再将各短基线阵模块定位结果进行聚类，实现双目标源的初步定位，再将初步定位结果反馈到长基线阵模块中，最终实现双目标源的精确定位。

上述技术方案中，该方法具体包括：

步骤1)、根据目标信号源的分布区域，模块化布局传感网中的传感器节点，形成多个短基线阵模块；

步骤2)、所述多个短基线阵模块中的各个传感器节点分别采集双目标信号源的信号，初步估计对双目标源的接收时刻，截取各传感器节点一定宽度的接收信号，并记录截取初始时刻，得到一张截取初始时刻表；所述截取初始时刻表包括：所截取的信号以及截取初始时刻；

步骤3)、所述多个短基线阵模块利用基于到达时间差的定位方法分别对双目标源信号进行初步定位；

步骤4)、对步骤3)的初步定位所得到的结果进行聚类，得到双目标源的多个位置结果；

步骤5)、对步骤4)所得到的双目标源的多个位置结果做优化，得到双目标源位置的初步定位结果；

步骤6)、从所述多个短基线阵模块中各自选取一个传感器节点，形成一长基线阵模块，然后将步骤5)所得到的双目标源位置的初步定位结果反馈到所述长基线阵模块传感器节点的截取信号中，确定长基线阵模块各传感器节点的双目标源正确接收时序；

步骤7)、计算所述长基线阵模块中各传感器节点的时延，最终由长基线阵模块进行基于到达时间差的定位计算，实现对双目标源位置的精确定位估计。

上述技术方案中，在所述的步骤2)中，初步估计对双目标源的接收时刻包括：对所接收的双目标信号源的信号进行滤波，然后结合时域、频域的信号和能量特征确定信号源粗略接收时刻。

上述技术方案中，所述步骤3)进一步包括：假设双目标源信号均以相同的时序到达所述多个短基线阵模块中的各传感器节点，各自选取各个短基线阵模块中的某一节点作为参考节点，然后利用各传感器节点截取的信号进行到达时间差估计，得到截取段内的时延Δτ_k1，接着结合初始时刻表，得到双目标源信号在该模块的节点中的到达时间差时延值Δt_k1＝t_k-t₁+Δτ_k1，其中，Δt_k1表示一短基线阵模块中的传感器节点k与该短基线阵模块中的第一参考节点之间的真实时延估计值，t_k表示该短基线阵模块中的传感器节点k截取信号起点，t₁表示该短基线阵模块中的第一参考节点截取信号起点，Δτ_k1表示截取信号段间的时延估计值；所述多个短基线阵在分别得到各自的到达时间差时延值后，所述多个短基线模块再次分别进行双目标源TDOA定位，即采用Chan算法计算双目标源定位估计值。

上述技术方案中，所述步骤4)进一步包括：为所述多个短基线阵模块的每个定位结果建立聚类度，即圆形关联门中定位结果个数所占比例＝关联门区域内估计值个数/4×100％，将聚类度低于50％的模块定位结果作为错误结果予以剔除，选取聚类度大于等于50％的两组定位结果作为聚类处理所得到的结果。

上述技术方案中，在所述步骤7)中，所述计算长基线阵模块各传感器节点的时延包括：首先需要从长基线阵模块中选取一个传感器节点作为参考节点，然后先检测信号，检测到信号后截取相应信号段并记录长基线阵模块中的传感器节点k的截取初始时刻t_k、该长基线阵模块中的第一参考节点的截取初始时刻t₁，通过广义互相关时延估计计算截取信号段间的时延Δτ_k1，则真实时延Δt_k1＝t_k-t₁+Δτ_k1。

本发明的优点在于：

本发明根据TDOA定位方法特征(目标定位精度与基线长短有关)，采用长短基线优化布局的方式，又根据双信号源传播时序的空间几何约束，发现4个短基线阵模块至少存在两个模块以相同的接收时序，可进行聚类分析确定初步定位结果，解决双信号源时序交错问题，最后实现双信号源的精确定位。本发明在双目标源信号特征难以提取或相似时可实现各目标源的分离定位。

附图说明

图1是双曲线模型的示意图；

图2是本发明的基于优化布局的双信号源分离定位方法的流程图；

图3是双信号源传播区域的几何约束及系统整体布局图；

图4是短基线阵模块初步定位及聚类结果的示意图；

图5是长基线阵模块精确定位结果的示意图。

具体实施方式

在对本发明的方法做详细说明前，首先对本发明中所涉及的一些概念做简要说明。

基于TDOA(Time Different of Arrival，到达时间差)的定位方法：利用TDOA时延实现信号源定位的方法。Chan定位方法是解决TDOA定位问题的一种常用方法，该方法在1994年由Y.T.Chan等提出，通过将双曲线模型中非线性方程组通过等式变换转换为伪线性方程组，通过两次最小二乘运算，得到定位结果。图1为双曲线模型的示意图，如图1所示，信号源P到达传感器节点N1、N2、N3的时间分别为t₁、t₂、t₃，以N1为参考节点，可计算出相对时间差Δt_2,1＝t₂-t₁，Δt_3,1＝t₃-t₁。相应的计算出目标源达到各传感器节点间的距离差。两个传感器节点所确定的一个距离差，在几何意义上代表了以该两节点为焦点的双曲线中的一条，故对于单个目标声源，从几何意义上可根据三个传感器节点(即两条双曲线的交点)来实现定位。Chan定位方法即是通过求解由双曲线方程构成的非线性方程组来计算目标源的位置。该方法具有解析表达式解、计算量小、易于误差分析且定位精度较高的优点。

基线：是指参与定位的模块中各传感器节点间的几何距离。在本发明中涉及到两种类型的基线，一种是短基线，一种是长基线，在后文中会对长基线和短基线做进一步描述。

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本领域技术人员知道，多目标源信号传播到传感器节点的时间顺序与各信号源的发射时间、各信号源间的几何位置和传感器节点与各信号源间的几何位置有关。当各信号源几何位置确定、发射时间一定时，各信号源将空间划分为多个区域，传感器位于不同的区域中，将出现不同的信号接收时序。基于上述特征，在信号特征难以提取或相似时，本发明的基于优化布局的双信号源分离定位方法首先根据双信号源传播区域的几何约束，采用传感网系统中长基线阵模块、短基线阵模块相结合的优化布局，将传感器节点进行模块化分组，进行TDOA定位，再将各短基线阵模块定位结果进行聚类，实现双目标源的初步定位，将初步定位结果反馈到长基线阵模块中最终实现双目标源的精确定位。

需要特别说明的是，本发明的方法所讨论的不包括双目标源信号同时到达某传感节点的情形，即各接收信号不发生重叠。

参考图2，本发明的基于优化布局的双信号源分离定位方法包括以下步骤：

步骤1)、根据目标信号源分布区域，模块化布局传感网中的节点，形成多个短基线阵模块；各个短基线阵模块中的传感器节点分别采集双目标信号源信号，由能量检测算法初步估计各目标源的接收时刻(双目标源信号到达时序未知)，截取各节点一定宽度的接收信号，并记录截取初始时刻，得到一张截取初始时刻表。

在一个实施例中，如图3所示，目标信号源有两个，分别用P1、P2表示。传感网中包括有四个短基线阵模块，分别用A、B、C、D表示，每个短基线阵模块至少包括有四个传感器节点，所述四个传感器节点排列成正方形。一个短基线阵模块中的各个节点进行无线通信，且严格时钟同步。一个短基线阵模块中的传感器节点数目以及传感器节点的排布方式与后续步骤中TDOA定位时所采用的Chan算法有关，在Chan算法中至少需要4个节点才能达到一定精度的定位。

短基线阵模块中的传感器节点采集双目标源信号后，对所接收的信号进行滤波，然后结合时域、频域的信号和能量特征(即能量检测算法)确定信号源粗略接收时刻。对各传感器节点所接收信号进行截取后，由所截取的信号以及截取初始时刻可得到截取初始时刻表，假设传感网中所有传感器节点数为M，目标信号源2个，可得到一张M*2的初始时刻表及相应的截取信号。

步骤2)、各短基线阵模块分别对双目标源信号进行初步定位。

假设双目标源信号均以相同的时序到达短基线阵模块中的各传感器节点，各自选取各个短基线阵模块中的某一节点作为参考节点，如图3中的短基线阵模块A，以1号节点作为参考节点，然后利用步骤1)所得到的各传感节点截取的信号进行TDOA(Time differentof Arrival，到达时间差)估计，得到截取段内的时延Δτ_k1，接着结合初始时刻表，得到双目标源信号在该模块的节点中的TDOA时延值Δt_k1＝t_k-t₁+Δτ_k1(Δt_k1表示一短基线阵模块中的传感器节点k与该短基线阵模块中的第一参考节点之间的真实时延估计值，t_k表示该短基线阵模块中的传感器节点k截取信号起点，t₁表示该短基线阵模块中的第一参考节点截取信号起点，Δτ_k1表示截取信号段间的时延估计值)。四个短基线阵在分别得到各自的TDOA时延值后，这四个短基线模块再次分别进行双目标源TDOA定位，即采用Chan算法计算双目标源定位估计值，从而得到8个定位结果。

步骤3)、对步骤2)所得到的各短基线阵模块的初步定位结果进行聚类。

图3是双目标源传播几何约束的示意图，所述几何约束是指：目标源P1信号发射时刻为t_p1，目标源P2信号发射时刻为t_p2，Δt₂₁＝t_p2-t_p1，P1、P2距离为d，v为信号源传播速度，根据双曲线定义分析，当0＜|Δt₂₁|＜d/v时，根据接收到P1、P2信号的时序，平面空间被分成I、II两部分，区域I双目标源信号到达时序为P1、P2，区域II双目标源信号到达时刻为P1、P2，双目标源信号同时到达双曲线上的节点，当|Δt₂₁|≥d/v时，平面空间所有区域以相同时序接收到P1、P2。

从对几何约束的上述分析可知：在双曲线划分区域图中，最多仅有两个短基线阵模块被双曲线所划分，出现时序交错情形，从而出现错误定位结果；反之，至少存在两个模块的计算结果正确，即对各模块的双目标源定位结果进行聚类时，正确定位结果聚类度大于等于50％。因此通过聚类算法可判断出属于双目标源的正确的模块定位结果。例如，假设各短基线阵模块计算所得的8个初步定位结果分别为：PA1、PA2、PB1、PB2、PC1、PC2、PD1、PD2，对这些初步定位结果进行聚类处理，排除错误结果，得到聚类处理后的结果。图4为初步定位与聚类后的示意图。

所述聚类处理具体包括：为各短基线阵模块的每个定位结果建立聚类度，即圆形关联门中定位结果个数所占比例＝关联门区域内估计值个数/4×100％，将聚类度低于50％的模块定位结果作为错误结果予以剔除，选取聚类度大于等于50％的两组定位结果作为聚类处理所得到的结果。

步骤4)、对聚类后的双目标源的多个位置结果进行均值优化计算，得到双目标源初步定位结果。

在本步骤中，对步骤3)中聚类处理后的结果做均值计算，得到初步估计结果PT1、PT2。

步骤5)、从各个短基线阵模块中各选取一个传感器节点，将所选取的传感器节点构造成一个长基线阵模块；将步骤4)所得到的初步定位结果反馈到长基线阵模块传感器节点的截取信号中，确定长基线阵模块各传感器节点的双目标源正确接收时序。

在一个实施例中，参考图3，从短基线阵模块A、B、C、D中各自选取一个传感器节点，可分别记为A₁、B₁、C₁、D₁，这些传感器节点可构成一个长基线阵模块。前一步骤所得到的初步估计结果PT1、PT2可反馈到该长基线阵模块各节点的截取信号中。

步骤6)、计算长基线阵模块各传感器节点的时延，最终由长基线阵模块进行TDOA计算，实现精确定位估计。

其中，在计算长基线阵模块各传感器节点的时延时，首先需要从长基线阵模块中选取一个传感器节点作为参考节点(如以A₁作为参考节点)，然后先检测信号，检测到信号后截取相应信号段并记录长基线阵模块中的传感器节点k的截取初始时刻t_k、该长基线阵模块中的第一参考节点的截取初始时刻t₁，通过GCC(广义互相关时延估计)计算截取信号段间的时延Δτ_k1，则真实时延Δt_k1＝t_k-t₁+Δτ_k1。

长基线阵模块进行TDOA计算时也可采用Chan算法。图5为精确定位估计后的结果示意图，图中的PE1、PE2为最终长基线阵模块定位结果，定位精度高。

本发明考虑到TDOA定位算法，在一定范围内，节点间基线越短定位精度越低，双目标源接收时序越能保持一致；节点基线越长定位精度越高，双目标源接收时序越容易发生交错。本发明结合两者的优点，采用短基线阵模块实现双目标源的初步定位，长基线模块实现高精度定位估计，弥补了两者各自的缺陷，从而在双目标源信号特征难以提取或相似时实现各目标源的分离定位。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种双信号源分离定位方法，包括：

首先根据双信号源传播区域的几何约束，采用传感网系统中长基线阵模块、短基线阵模块相结合的布局方式将传感器节点进行模块化分组，首先由短基线阵模块进行TDOA定位，再将各短基线阵模块定位结果进行聚类，实现双目标源的初步定位，再将初步定位结果反馈到长基线阵模块中，最终实现双目标源的精确定位；

该方法具体包括：

步骤1)、根据目标信号源的分布区域，模块化布局传感网中的传感器节点，形成多个短基线阵模块；每个短基线阵模块至少包括有四个传感器节点，所述四个传感器节点排列成正方形；

步骤2)、所述多个短基线阵模块中的各个传感器节点分别采集双目标信号源的信号，初步估计对双目标源的接收时刻，截取各传感器节点一定宽度的接收信号，并记录截取初始时刻，得到一张截取初始时刻表；所述截取初始时刻表包括：所截取的信号以及截取初始时刻；

步骤3)、所述多个短基线阵模块利用基于到达时间差的定位方法分别对双目标源信号进行初步定位；

步骤4)、对步骤3)的初步定位所得到的结果进行聚类，得到双目标源的多个位置结果；

步骤5)、对步骤4)所得到的双目标源的多个位置结果做优化，得到双目标源位置的初步定位结果；所述优化的步骤为计算双目标源的多个位置结果的平均值，将平均值做为双目标源位置的初步定位结果；

步骤6)、从所述多个短基线阵模块中各自选取一个传感器节点，形成一个长基线阵模块，然后将步骤5)所得到的双目标源位置的初步定位结果反馈到所述长基线阵模块传感器节点的截取信号中，确定长基线阵模块各传感器节点的双目标源正确接收时序；

步骤7)、计算所述长基线阵模块中各传感器节点的时延，最终由长基线阵模块进行基于到达时间差的定位计算，实现对双目标源位置的精确定位估计。

2.根据权利要求1所述的双信号源分离定位方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，初步估计对双目标源的接收时刻包括：对所接收的双目标信号源的信号进行滤波，然后结合时域、频域的信号和能量特征确定信号源粗略接收时刻。

3.根据权利要求1所述的双信号源分离定位方法，其特征在于，所述步骤3)进一步包括：

假设双目标源信号均以相同的时序到达所述多个短基线阵模块中的各传感器节点，各自选取各个短基线阵模块中的某一节点作为参考节点，然后利用各传感器节点截取的信号进行到达时间差估计，得到截取段内的时延估计值Δτ_k1；

接着结合初始时刻表，得到双目标源信号在该模块的节点中的到达时间差时延值Δt_k1＝t_k-t₁+Δτ_k1，其中，Δt_k1表示一短基线阵模块中的传感器节点k与该短基线阵模块中的第一参考节点之间的真实时延估计值，t_k表示该短基线阵模块中的传感器节点k截取信号起点，t₁表示该短基线阵模块中的第一参考节点截取信号起点，Δτ_k1表示截取信号段间的时延估计值；

所述多个短基线阵在分别得到各自的到达时间差时延值后，所述多个短基线模块再次分别进行双目标源TDOA定位，即采用Chan算法计算双目标源定位估计值。

4.根据权利要求1所述的双信号源分离定位方法，其特征在于，所述步骤4)进一步包括：为所述多个短基线阵模块的每个定位结果建立聚类度，即圆形关联门中定位结果个数所占比例＝关联门区域内估计值个数/4×100％，将聚类度低于50％的模块定位结果作为错误结果予以剔除，选取聚类度大于等于50％的两组定位结果作为聚类处理所得到的结果。

5.根据权利要求1所述的双信号源分离定位方法，其特征在于，在所述步骤7)中，所述计算长基线阵模块各传感器节点的时延包括：首先需要从长基线阵模块中选取一个传感器节点作为长基线阵参考节点，然后先检测信号，检测到信号后截取相应信号段并记录长基线阵模块中的传感器节点k的截取初始时刻t_k、该长基线阵模块参考节点的截取初始时刻t₁，通过广义互相关时延估计计算截取信号段间的时延Δτ_k1，则长基线阵双目标源信号的到达时间差时延值为：Δt_k1＝t_k-t₁+Δτ_k1；

根据所述长基线阵双目标源信号的到达时间差时延值实现对双目标源位置的精确定位估计。