CN109828302B - 一种基于多振动传感器的震源定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于振动传感器的震源定位方法及装置，该方法包括：根据定位区域，建立坐标系网格；根据振动波在定位区域的传播波速，计算振动波在坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间，并根据传播时间建立到时模型；获取多个传感器在定位区域采集的振动波的振动信号；根据到时模型，分别对各传感器采集的坐标系网格中各网格点的振动信号采用第一次滑动窗口处理得到第一振动信号，再采用第二次滑动窗口和归一化处理，得到第二振动信号，根据各传感器的第二振动信号分别计算振动波发生时刻各网格点的强度函数，对强度函数平滑处理得到第一强度函数；判断各网格点的第一强度函数的值大小；将值最大的第一强度函数对应的网格点确定为震源位置。
Description
技术领域
本发明涉及传感器定位技术领域，具体涉及一种基于振动传感器的震源定位方法及装置。
背景技术
目前基于振动传感器的震源定位方法应用最广泛的为主要浅析几何法，主要有TOA(time of arrival)、TDOA(Time Difference 0f Arrival)等。但是，这些定位算法主要依赖于获取振动信号的到达时间进行求解方程组。其保证定位结果的核心精度是依靠到达时间和均匀介质，而到达时间往往是振动信号的初至波时刻，由于初至波没有特征规律，现有的方法很难取得准确的到达时间，并且，由于初至波位置的误差导致到达时间的误差，在非均匀介质中或在实际应用场景中，波速在不同介质是不同的，到达时间又增加了一些误差。这些误差对于定位算法的稳定性和精确性造成很大影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于振动传感器的震源定位方法及装置，以解决由于振动波到达时间不准确和传播介质不均匀，导致目前浅析几何震源定位方法的稳定性和精确性不高的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种基于振动传感器的震源定位方法，包括：根据定位区域，建立坐标系网格；根据振动波在所述定位区域的传播波速，计算所述振动波在所述坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间，并根据所述传播时间建立到时模型；获取多个传感器在所述定位区域采集的所述振动波的振动信号；根据所述到时模型，别对各所述传感器采集的所述坐标系网格中各网格点的振动信号采用第一次滑动窗口处理后得到第一振动信号，再对第一振动信号采用第二次滑动窗口处理和归一化处理，得到第二振动信号；根据各所述传感器的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数；判断各所述网格点的第一强度函数的值大小；将所述值最大的所述第一强度函数对应的网格点确定为震源位置。
结合第一方面，在第一发明第一实施方式中，该基于振动传感器的震源定位方法还包括：对与所述震源位置的网格点距离最小的所述传感器采集的振动信号进行小波分析得到振动能量信息；根据所述振动能量信息判断震源目标类型。
结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，该基于振动传感器的震源定位方法还包括：获取所述震源目标在不同时刻对应的坐标信息；根据所述坐标信息构建震源目标在所述定位区域的移动轨迹。
结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述第一次滑动窗口处理采用均值窗处理，所述第二次滑动窗口采用最大值窗处理。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第四实施方式中，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数，包括：对于每一网格点，获取所述每一网格点的相邻网格点的强度函数，将所述每一网格点的强度函数和所述相邻网格点的强度函数求和后计算平均值，得到所述每一网格点的第一强度函数。
结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，通过以下公式根据各所述传感器的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数：
其中，sn代表第N个传感器的所述第二振动信号，br(μ,t)代表在t时刻μ网格点的强度函数，N代表所述传感器数量，tμn代表某个最大振相从点μ处到第N个传感器的走时，n为正整数。
结合第一方面，在第一方面第六实施方式，该基于振动传感器的震源定位方法还包括：获取所述定位区域中的多个所述传感器的位置信息，确定多个所述传感器的坐标信息；根据多个所述传感器的坐标信息，确定所述传感器与所述网格点最大距离长度；根据所述最大距离长度，建立数据缓存区域。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种基于振动传感器的震源定位装置，包括：坐标系建立模块，用于根据定位区域，建立坐标系网格；时间计算模块，用于根据振动波在所述定位区域的传播波速，计算所述振动波在所述坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间；到时模型模块，用于根据所述传播时间建立到时模型；振动信号获取模块，用于获取多个传感器在所述定位区域采集的所述振动波的振动信号；振动信号处理模块，用于根据所述到时模型，分别对各所述传感器采集的所述坐标系网格中各网格点的振动信号进行归一化处理得到各所述传感器的第一振动信号，将所述第一振动信号进行滑动窗口处理得到第二振动信号；强度函数计算模块，用于根据各所述传感器的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数；判断模块，用于判断所述各所述网格点的第一强度函数的值大小；震源确定模块，用于将所述值最大的所述第一强度函数对应的网格点确定为震源位置。
根据第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面或第一方面任意一个实施方式所述的基于振动传感器的震源定位方法。
根据第四方面，本发明实施例提供计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面或第一方面任意一个实施方式所述的基于振动传感器的震源定位方法。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：通过利用滑动窗口对振动信号处理，从而能够减少初至波对定位算法造成的误差以及非均匀介质对定位算法造成的误差，使得定位算法精度和稳定性更高；本发明不仅能够跟踪目标，而且能够根据振动能量判定目标类型；根据传感器的响应区域，灵活的选择识别区域，减小了算法的计算量，增强定位算法的性能。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中基于振动传感器的震源定位方法的流程框图；
图2示出了本发明实施例中基于振动传感器的震源定位方法的网格坐标系示意图；
图3示出了本发明实施例中振动信号经两次滑动窗口处理处理前后对比图；
图4示出了本发明实施例中基于振动传感器的震源定位装置的结构框图；
图5示出了本发明实施例中基于振动传感器的震源定位装置的计算机结构框图；
图6示出了本发明实施例中基于振动传感器的震源定位方法及装置的坐标系示意图
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，本领域技术人员在没有作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。
本发明实施例提供了一种基于振动传感器的震源定位方法，该基于振动传感器的震源定位方法可以应用于地面区域的震源定位，如图1所示，该震源定位方法包括以下步骤：
步骤S101：根据实际需求规划定位区域，建立网格坐标系，如图2所示，网格长度为定位精度，确定传感器1数量及传感器1拓扑结构，将传感器1设置在定位区域中；
步骤S102：根据振动波在上述步骤中的定位区域的介质中传播波速，计算振动波在坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间，并根据传播时间建立到时模型；
步骤S103:通过信号线获取上述定位区域中安装的多个传感器1在定位区域采集的振动波的振动信号，本实施例只是举例说明是通过信号线获取振动信号，并不局限于这种方式；
步骤S104：根据所述到时模型，分别对各传感器1采集的坐标系网格中各网格点的振动信号采用第一次滑动窗口处理后得到第一振动信号，目的是初至波位置定位及将振动信号集中化，简单化处理，再对第一振动信号采用第二次滑动窗口和归一化处理得到第二振动信号，经过上述两次滑动窗口处理后的信号对比如图3所示，图3中上半部分为原始信号示意图，图3中下半部分为经过上述两次滑动窗口处理后得到的第二振动信号的示意图，从图中可以看出，经过上述两次滑动窗口处理后的振动信号中最大波峰位置更加明显；
步骤S105：根据各传感器1的第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻坐标系中各网格点的强度函数，为提高本发明定位方法的精度，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数；
步骤S106：判断各网格点的第一强度函数的值大小，第一强度函数的值越大，说明该网格点是震源位置的可能性越大，定位区域中第一强度函数最大时，该第一强度函数对应的坐标和时间就是振动发生的位置的时间；
步骤S107：得到定位区域中值最大的第一强度函数，将该第一强度函数对应的网格点确定为震源位置。
通过实施本发明的实施例中的基于振动传感器的定位方法，对传感器1采集到的振动信号采用滑动窗口处理，可以减少初至波和传播介质不均匀导致的误差，并对计算的强度函数采用光滑处理，从而避免了初至波不规律和传播介质不均匀导致的误差，使定位精度更高。
可选地，在本发明一些实施例中，上述实施例中的定位方法还包括：得到震源位置的坐标信息后，对与震源位置的网格点距离最小的所述传感器采集的振动信号，采用小波包分解的时域分析方法对振动信号进行分析，得到振动信号中的振动能量信息，对比数据库中的振动能量信息数据表，判断发出振动信号的目标类型，在实际应用中，可以通过振动能量信息，判断进入定位区域目标是人、动物、或者车等，根据目标类型采取相应的措施。
可选地，在本发明一些实施例中，基于振动传感器的定位方法还包括：通过上述实施例计算，获取震源目标在不同时刻对应的坐标信息，根据坐标信息构建震源目标在定位区域的移动轨迹，通过震源目标的移动轨迹，工作人员可以判断震源目标的运动方位。
可选地，在本发明一些实施例中，上述步骤S104中分别对各传感器1采集的坐标系网格中各网格点的振动信号采用均值窗处理后得到第一振动信号，再对第一振动信号采用最大值窗处理和归一化处理，得到第二振动信号。通过均值窗处理，能够减少初至波不规律导致的误差；通过最大值窗处理使波峰与波峰叠加，从而能够进一步减少传播介质不均匀导致的误差。
可选地，在本发明一些实施例中，上述步骤S105中的根据各传感器1的第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻坐标系中各网格点的强度函数，是通过以下公式计算得到的：
其中，sn代表第N个传感器1的所述第二振动信号，br(μ,t)代表在t时刻μ网格点的强度函数，N代表所述传感器1数量，tμn代表某个最大振相从点μ处到第N个传感器1的走时，n为正整数。在实际应用中，如果br(μ,t)＝0.1，就说明该强度函数对应的网格点为震源位置的可能性为10％，如果br(μ,t)＝1，就说明该强度函数对应的网格点就是为震源位置。
可选地，在本发明一些实施例中，对上述步骤S105中对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数，包括：对于每一网格点，获取每一网格点的相邻网格点的强度函数，将每一网格点的强度函数和相邻网格点的强度函数求和后计算平均值，得到每一网格点的第一强度函数，从而能够提高基于振动传感器1的定位方法的定位精度。
可选地，在本发明一些实施例中，该基于振动传感器的定位方法还包括：获取定位区域中的多个所述传感器1的位置信息，确定多个所述传感器1的坐标信息；根据多个传感器1的坐标信息，确定所述传感器1与所述网格点最大距离长度；根据所述最大距离长度，建立数据缓存区域；由于每个传感器拾取同一个振动产生的信号的时刻不同，而数据采集的数据是同步的，建立缓存区目的是缓存让离振动位置最远的传感器拾取的振动信号能被采集到，确保每个传感器对于同一次振动所拾取的振动信号都在缓存区内，这样上述实施例中到时模型才能取到有效值。
本发明实施例还提供了一种基于振动传感器的震源定位装置，如图4所示，该装置包括：坐标系建立模块11，用于根据定位区域，建立坐标系网格，详细内容参考上述实施例中步骤S101所述；时间计算模块12，用于根据振动波在定位区域的传播波速，计算振动波在坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间，详细内容参考上述实施例中步骤S102所述；到时模型模块13，用于根据传播时间建立到时模型，详细内容参考上述实施例中步骤S102所述；振动信号获取模块14，用于获取多个传感器1在定位区域采集的振动波的振动信号，详细内容参考上述实施例中步骤S103所述；振动信号处理模块15，用于根据到时模型，分别对各传感器1采集的坐标系网格中各网格点的振动信号进行归一化处理得到各传感器1的第一振动信号，将第一振动信号进行滑动窗口处理得到第二振动信号，详细内容参考上述实施例中步骤S104所述；强度函数计算模块16，用于根据各所述传感器1的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数，对强度函数平滑处理得到第一强度函数，详细内容参考上述实施例中步骤S105所述；判断模块17，用于判断所述各所述网格点的第一强度函数的值大小，详细内容参考上述实施例中步骤S106所述；震源确定模块18，用于将所述值最大的所述第一强度函数对应的网格点确定为震源位置，详细内容参考上述实施例中步骤S107所述。
通过实施本发明提供实施例中基于振动传感器的震源定位装置，对传感器1接收的振动信号进行滑动窗口处理，从而能够减少有初至波不规律以及传播介质不均匀导致的误差，提高定位算法的精度。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，如图5所示，该计算机设备可以包括处理器51和存储器52，其中处理器51和存储器52可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。
处理器51可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器51还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器52作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的基于振动传感器的震源定位方法对应的程序指令/模块(例如，图3所示的坐标系建立模块11、时间计算模块12、到时模型模块13、振动信号获取模块14、振动信号处理模块15、强度函数计算模块16、判断模块17和震源确定模块18)。处理器51通过运行存储在存储器52中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的基于振动传感器1的定位方法。
存储器52可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器51所创建的数据等。此外，存储器52可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器52可选包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器51。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器52中，当被所述处理器51执行时，执行如图1所示实施例中的基于传感器1定位方法。
上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1至图3所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本发明实施例提供的基于振动传感器的震源定位方法及装置具体应用于草地区域定位的场景中：
步骤S201：草地上面选取长10米，宽8米的区域为扫描区域，布设三个传感器1；
步骤S202：按照网格边长0.5米将定位区域进行划分，划分为357个网格点。
步骤S203：根据实际需求，三个传感器1的坐标分别为(1，1)，(6，9)和(11，1)，如图2所示。
步骤S204：按照传感器的坐标，将三个传感器1埋在对应的位置内，并夯实三个传感器周围的土，提高传感器采集的振动信号的精准性。
步骤S205，通过上述实施例的基于振动传感器的定位方法及装置，如图6所示，确定进入定位区域的物体类型以及位置信息。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种基于振动传感器的震源定位方法，其特征在于，包括:
根据定位区域，建立坐标系网格；
根据振动波在所述定位区域的传播波速，计算所述振动波在所述坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间，并根据所述传播时间建立到时模型；
获取多个传感器在所述定位区域采集的所述振动波的振动信号；
根据所述到时模型，分别对各所述传感器采集的所述坐标系网格中各网格点的振动信号采用第一次滑动窗口处理后得到第一振动信号，再对第一振动信号采用第二次滑动窗口处理和归一化处理，得到第二振动信号，所述第一次滑动窗口处理采用均值窗处理，所述第二次滑动窗口采用最大值窗处理；
根据各所述传感器的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数；
判断各所述网格点的第一强度函数的值大小；
将所述值最大的所述第一强度函数对应的网格点确定为震源位置。
2.根据权利要求1所述基于振动传感器的震源定位方法，其特征在于，还包括：
对与所述震源位置的网格点距离最小的所述传感器采集的振动信号进行小波分析得到振动能量信息；
根据所述振动能量信息判断震源目标类型。
3.根据权利要求1所述基于振动传感器的震源定位方法，其特征在于，还包括：
获取所述震源目标在不同时刻对应的坐标信息；
根据所述坐标信息构建震源目标在所述定位区域的移动轨迹。
4.根据权利要求2所述基于振动传感器的震源定位方法，其特征在于，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数，包括：
对于每一网格点，获取所述每一网格点的相邻网格点的强度函数，将所述每一网格点的强度函数和所述相邻网格点的强度函数求和后计算平均值，得到所述每一网格点的第一强度函数。
5.根据权利要求1所述基于振动传感器的震源定位方法，其特征在于，通过以下公式根据各所述传感器的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数：
其中，sn代表第n个传感器的所述第二振动信号，br(μ,t)代表在t时刻μ网格点的强度函数，N代表所述传感器数量，tμn代表某个最大振相从点μ处到第n个传感器的走时，n为正整数。
6.根据权利要求1所述基于振动传感器的震源定位方法，其特征在于，还包括：
获取所述定位区域中的多个所述传感器的位置信息，确定多个所述传感器的坐标信息；
根据多个所述传感器的坐标信息，确定所述传感器与所述网格点最大距离长度；
根据所述最大距离长度，建立数据缓存区域。
7.一种基于振动传感器的震源定位装置，其特征在于，包括：
坐标系建立模块，用于根据定位区域，建立坐标系网格；
时间计算模块，用于根据振动波在所述定位区域的传播波速，计算所述振动波在所述坐标系网格中任意两个网格点间的传播时间；
到时模型模块，用于根据所述传播时间建立到时模型；
振动信号获取模块，用于获取多个传感器在所述定位区域采集的所述振动波的振动信号；
振动信号处理模块，用于根据所述到时模型，分别对各所述传感器采集的所述坐标系网格中各网格点的振动信号采用第一次滑动窗口处理后得到第一振动信号，再对第一振动信号采用第二次滑动窗口处理和归一化处理，得到第二振动信号，所述第一次滑动窗口处理采用均值窗处理，所述第二次滑动窗口采用最大值窗处理；
强度函数计算模块，用于根据各所述传感器的所述第二振动信号分别计算所述振动波发生时刻各所述网格点的强度函数，对所述强度函数平滑处理得到第一强度函数；
判断模块，用于判断所述各所述网格点的第一强度函数的值大小；
震源确定模块，用于将所述值最大的所述第一强度函数对应的网格点确定为震源位置。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-6中任一项所述的基于振动传感器的震源定位方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1-6中任一项所述的基于振动传感器的震源定位方法。
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