CN108169714A - 一种基于振动波的定位方法及装置 - Google Patents

一种基于振动波的定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于振动波的定位方法及装置，该方法包括：基于混凝土介质，确定定位网格；其中，网格的长边对应混凝土介质的长边；在网格长边上等间隔布置多个振动传感器，用于接收力锤击打网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得网格上每个网格点振动波的传播速度；选取相邻的三个振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；其中，振动波形数据的选取条件包括：振动波形数据的波形特征具有一致性；振动波形数据具有高目标信号分辨率；基于时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。本发明适合于混凝土介质振动波定位，能够实现飞行物穿透墙体位置的精确定位。

Description

一种基于振动波的定位方法及装置
技术领域
本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种基于振动波的定位方法及装置。
背景技术
在靶场测量、关键建筑物安全监测等场合，常需要对飞行物(导弹或不明飞行物)穿透墙体的位置进行精确定位。
时延定位方法是目标跟踪与定位最常用的技术。声、光、振动等探测手段均采用该方法对目标进行定位。
如图1所示，假设：安装在探测介质上的三个振动传声器，振动传声器安装点的坐标在架设时精密测量，坐标分别为(cx0,cy0)、(cx1,cy1)、(cx2,cy2)，待求战斗部命中点坐标为(xn,yn)，以0号传感器为参考，到达传感器1和传感器2相对于到达参考传感器的时延差分别为τ10和τ20，则可得到如下方程组：
上式中，v代表命中时对建筑物产生的冲击，以波速v向外传递。当利用声波或光/电磁波等采用公式(1)对目标进行定位时，结果具有较高的精度，当利用振动波时延定位方法对目标定位时，则会产生较大的误差。主要表现在以下几个方面：
1)混凝土介质是不均匀的，主要体现在速度不均匀上，即振动波不是以常速进行传播的。因此公式(1)中，波速v为位置的函数。如仍采用公式(1)，计算结果必然会产生较大的误差。
2)波在混凝土介质中传播具有较大的衰减，因此不能随意选取或摆放传感器。相距较远的两个传感器，其主频有较大的差异，如采用相关法求取时延，则时延并不准确，同样会造成较大的定位误差。
发明内容
本发明的目的在于针对飞行物穿透墙体情况，提供一种基于振动波的定位方法及装置，以适应多个飞行物穿透多层墙体的情况，对每层墙体的穿透位置实现高精度定位。
本发明提供了一种基于振动波的定位方法，包括：
基于混凝土介质，确定定位网格；其中，网格的长边对应混凝土介质的长边，网格的短边对应混凝土介质的短边；
在网格长边上等间隔布置多个振动传感器，用于接收力锤击打网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得网格上每个网格点振动波的传播速度；
选取相邻的三个振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；
基于时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。
进一步地，振动波形数据的选取条件包括：振动波形数据的波形特征具有一致性和/或振动波形数据具有高目标信号分辨率。
进一步地，振动传感器的布置数量至少为二十个。
进一步地，时延计算采用相关法进行计算。
进一步地，该方法还包括对目标定位结果进行定位补偿。
进一步地，对目标定位结果进行定位补偿，包括：
在目标定位结果周围选取计算区域；
选取多对相邻振动传感器的振动波形数据，基于每个网格点振动波的传播速度，计算每个网格到第i对振动传感器的时间t(i)及t(i+1)，得到时间差：
式中，及为目标点到振动传感器的平均速度；Δti为利用相关法计算的第i对传感器的时间差；则每个网格的目标函数为：
式中，N为选取的振动传感器对数；Φ值最小的网格点即为最终的目标点位置。
进一步地，计算区域的选取方法包括：
选取振动波形数据顶点所对应的振动传感器向两侧外扩一个振动传感器位置的范围，作为横向计算区域；
选取基于网格中振动波的最大传播速度和最小传播速度所对应的区间，作为纵向计算区域。
本发明还提供了一种基于振动波的定位装置，包括：
网格确定模块，用于基于混凝土介质，确定定位网格；其中，网格的长边对应混凝土介质的长边，网格的短边对应混凝土介质的短边；
速度获得模块，用于接收力锤击打所述网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得网格上每个网格点振动波的传播速度；其中，网格长边上等间隔布置有多个用于接收振动波形数据的振动传感器；
时延计算模块，用于根据相邻的三个振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；
目标定位模块，用于基于时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。
进一步地，振动波形数据的选取条件包括：振动波形数据的波形特征具有一致性和/或振动波形数据具有高目标信号分辨率。
进一步地，该装置还包括：
定位补偿模块，用于对目标定位结果进行定位补偿。
与现有技术相比本发明的有益效果是：适合于混凝土介质振动波定位，能够实现飞行物穿透墙体位置的精确定位。
附图说明
图1是时延定位的示意图；
图2是本发明一种基于振动波的定位方法的流程图；
图3是本发明一种基于振动波的定位方法一实施例中混凝土介质速度标定示意图；
图4是本发明一种基于振动波的定位方法一实施例中振动传感器部署示意图；
图5是本发明一种基于振动波的定位方法一实施例中传感器数据选择示意图；
图6是本发明一种基于振动波的定位方法一实施例中互相关求取时延示意图；
图7是本发明一种基于振动波的定位方法一实施例中三点定位示意图；
图8是本发明一种基于振动波的定位方法一实施例中定位补偿算法示意图；
图9是本发明一种基于振动波的定位装置一实施例的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
参图2所示，本实施例提供了一种基于振动波的定位方法，包括：
步骤S1，基于混凝土介质，确定定位网格；其中，网格的长边对应混凝土介质的长边，网格的短边对应混凝土介质的短边；
步骤S2,在网格长边上等间隔布置多个振动传感器，用于接收力锤击打网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得网格上每个网格点振动波的传播速度；
步骤S3,选取相邻的三个振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；其中，振动波形数据的选取条件包括：振动波形数据的波形特征具有一致性和/或振动波形数据具有高目标信号分辨率；
步骤S4，基于时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。
本实施例以振动波运动特征为基础，基于特定的传感器部署及数据选取方法，提供了一种适用于混凝土介质振动波定位的方法，实现了飞行物穿透墙体位置的精确定位。
进一步地，本实施例还提供了对上述目标定位结果进行定位补偿的方法，以进一步提高定位精度。
参图3至图8所示，以导弹穿透墙体为例，本发明具体包括：
1、对混凝土介质进行速度标定
如图3所示，黑色圆点为振动传感器摆放位置，黑色圆圈为力锤击打位置，记录力锤击打数据及振动传感器接收的振动波形数据，读取力锤数据和振动波形数据的时间差，网格间距除以时间差，得到振动波在该网格的传播速度，保持振动传感器位置不变，将力锤向上移动，如图虚线所示，分别击打网格线交点位置，得到该列每个网格的速度。然后横向移动振动传感器，如图点线所示，依照前述方法，最终得到每个网格点振动波传播的速度。
2、振动传感器部署方式
如图4所示，将振动传感器等间隔部署在混凝土介质的长边上，振动传感器的数量不少于20个。
3、时延法振动波定位
1)振动波识别及传感器选择
由于振动波传播的复杂性，用于定位的传感器选择具有较大的限制性。具体要求如下：
①选择相邻的传感器，尽量避免速度不均匀带来的影响；
②传感器数据需具有较高的目标信号分辨率，不能选择多个信号重合的传感器数据。
③所选取的传感器的波形特征具有一致性。
根据以上要求，如图5所示，黑色方框内的传感器数据是符合要求，而箭头所示的传感器数据是无法使用的。
2)时延计算
选取相互靠近的三个振动传感器，采用相关法实现高精度的时延计算。方法如下：两路信号分别为a1(tn)、a2(tn)，从其中分别截取相同起始点的一段信号，计算互相关函数：
从互相关函数中搜索相关值最大的延时τ12作为两路信号的时间差。如图6所示。
3)三点定位技术
如图7所示的3点定位示意图，求解(3)式，实现目标定位。
AX＝B (3)
其中，
式中，(xn,yn)为飞行目标穿透混凝土板位置坐标，(cx0,cy0)、(cx0,cy0)、(cx0,cy0)为三个相邻传感器的坐标。
4、定位补偿
如图8所示。网格中的点为常速定位结果。在该点周围取计算区域，计算区域的选取方法为传感器振动波曲线顶点左右外扩1个传感器的区域，如图8中两虚线所示的范围。而纵向的范围是由速度扰动量决定的。取混凝土最小速度及最大速度计算上下两个区间值。网格大小由定位精度决定。
选取多对相邻的传感器数据，根据步骤1中混凝土速度标定结果，计算每个网格到第i对传感器的时间t(i)及t(i+1)，得到时间差：
公式(4)中，及为目标点到振动传感器的平均速度。用相关法计算的第i对传感器的时间差为Δti。则每个网格的目标函数为：
上式中，N为选取的传感器对数。Φ值最小的网格点即为最终的导弹侵彻位置。
参图9所示，对应于上述定位方法，本发明的另一实施例还提供了一种基于振动波的定位装置，包括：
网格确定模块10，用于基于混凝土介质，确定定位网格；其中，网格的长边对应混凝土介质的长边，网格的短边对应混凝土介质的短边；
速度获得模块20，用于接收力锤击打所述网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得网格上每个网格点振动波的传播速度；其中，网格长边上等间隔布置有多个用于接收振动波形数据的振动传感器；其中，振动波形数据的选取条件包括：振动波形数据的波形特征具有一致性和/或振动波形数据具有高目标信号分辨率。
时延计算模块30，用于根据相邻的三个振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；
目标定位模块40，用于基于时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。
进一步地，该装置还包括：
定位补偿模块，用于对目标定位结果进行定位补偿，具体执行图8示例的定位补偿方法。
本发明具有如下技术效果：
1、可以用于靶场测量，补充声、光等手段的不足，实现对导弹等飞行目标穿透墙体的精确位置测量。
2、可用于关键建筑物的安全监测，实现不明飞行物对建筑体破坏程度及位置的准确监测。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种基于振动波的定位方法，其特征在于，包括：
基于混凝土介质，确定定位网格；其中，所述网格的长边对应所述混凝土介质的长边，所述网格的短边对应所述混凝土介质的短边；
在所述网格长边上等间隔布置多个振动传感器，用于接收力锤击打所述网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得所述网格上每个网格点振动波的传播速度；
选取相邻的三个所述振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；
基于所述时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于振动波的定位方法，其特征在于，所述振动波形数据的选取条件包括：所述振动波形数据的波形特征具有一致性和/或所述振动波形数据具有高目标信号分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种基于振动波的定位方法，其特征在于，所述振动传感器的布置数量至少为二十个。
4.根据权利要求1所述的一种基于振动波的定位方法，其特征在于，所述时延计算采用相关法进行计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于振动波的定位方法，其特征在于，还包括对所述目标定位结果进行定位补偿。
6.根据权利要求5所述的一种基于振动波的定位方法，其特征在于，对所述目标定位结果进行定位补偿，包括：
在所述目标定位结果周围选取计算区域；
选取多对相邻振动传感器的振动波形数据，基于每个网格点振动波的传播速度，计算每个网格到第i对振动传感器的时间t(i)及t(i+1)，得到时间差：
式中，及为目标点到振动传感器的平均速度；Δti为利用相关法计算的第i对传感器的时间差；则每个网格的目标函数为：
式中，N为选取的振动传感器对数；Φ值最小的网格点即为最终的目标点位置。
7.根据权利要求6所述的一种基于振动波的定位方法，其特征在于，所述计算区域的选取方法包括：
选取振动波形数据顶点所对应的振动传感器向两侧外扩一个所述振动传感器位置的范围，作为横向计算区域；
选取基于网格中振动波的最大传播速度和最小传播速度所对应的区间，作为纵向计算区域。
8.一种基于振动波的定位装置，其特征在于，包括：
网格确定模块，用于基于混凝土介质，确定定位网格；其中，所述网格的长边对应所述混凝土介质的长边，所述网格的短边对应所述混凝土介质的短边；
速度获得模块，用于接收力锤击打所述网格短边上各个网格点时的振动波形数据，并基于力锤击打数据以及与之对应的振动波形数据，获得所述网格上每个网格点振动波的传播速度；其中，所述网格长边上等间隔布置有多个用于接收所述振动波形数据的振动传感器；
时延计算模块，用于根据相邻的三个所述振动传感器所接收的振动波形数据进行时延计算，获得时延计算结果；
目标定位模块，用于基于所述时延计算结果进行三点定位，获得目标定位结果。
9.根据权利要求8所述的一种基于振动波的定位装置，其特征在于，所述振动波形数据的选取条件包括：所述振动波形数据的波形特征具有一致性和/或所述振动波形数据具有高目标信号分辨率。
10.根据权利要求8所述的一种基于振动波的定位装置，其特征在于，还包括：
定位补偿模块，用于对所述目标定位结果进行定位补偿。
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