CN111398906B - 一种基于tdoa的地铁隧道外部入侵位置的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置定位方法,包括第一步：设备铺设及数据采集；第二步：解析数据、确定外部入侵坐标，对去噪后的信号进行时延估计获得我们所需的时间差，然后根据时间差可以确定外部入侵位置与两个测区之间的距离差，再根据这个距离差就可以确定外部入侵位置是在以这两个测区为焦点的两条双曲线上，最后根据多个双曲线的交点即可确定外部入侵的位置。本方法不仅定位准确，而数据实时采集更新，能够适应现场施工的需求。

Description

一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术，尤其涉及一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置定位方法，具体适用于确定地铁隧道的外部施工位置定位。

背景技术

地铁作为城市主要交通工具，为人们的生活带来的巨大的便利。作为典型的地下结构，其隧道的结构安全值得重点关注。随着光纤传感技术不断地发展，大容量光栅阵列传感器的成功制备使得对地铁沿线进行全时全域的监测成为可能。光栅阵列传感器可以监测地铁沿线的振动信息，其中不仅仅包括噪声和因地铁行驶引起的振动，还包括地铁隧道发生外部入侵时引起的异常振动。因此通过因外部入侵引起的异常振动来对外部入侵位置进行定位对保证地铁结构安全具有重要的意义。

目前，定位的常用算法有AOA、TDOA、TOA等，TDOA因为其计算方便，使用简单而得到更广泛的应用。基于到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)的定位算法在二维界面下通过多条双曲线的交点来实现对目标的定位。光纤传感技术与其他传统方法相比有分布式、长距离、精度高和耐久性好等特点，特别适用于地铁隧道关注安全指标的时空连续监测。采用大容量光栅阵列传感系统进行地铁隧道结构监测能够实时地获取结构状态响应信息，可为建筑结构变形监测提供可靠数据。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的确定外部入侵位置困难的问题，提供了一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置定位方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

第一步：设备铺设及数据采集，在外部施工前，在施工区域的轨道3沿线的洞壁上铺设一条光栅阵列传感光缆1，并每隔固定距离对光栅阵列传感光缆1进行固定，所述光栅阵列传感光缆1与光纤振动检测仪2信号连接；开启光纤振动检测仪2，并在外部进行施工，所述光纤振动检测仪2以5米为一个测区并以设定的采样频率f采集振动数据，并将采集的振动数据实时传输到服务器，对回传到服务器的数据预处理并打包成一个T*L的数据包存放到缓冲区中，其中T为100*1/f，L为沿线测区数量；

第二步：解析数据、确定外部入侵坐标，从缓冲区中获取原始监测振动数据包，解析数据包得到振动数据：

S1：采用S-G滤波器对原始监测数据进行平滑处理，再对平滑处理后的数据使用小波阈值去噪进行降噪处理；

S2：对S1中得到的去噪后的数据计算其每个测区的短时能量，将短时能量值最大的测区设置为参考测区；同时计算参考测区的短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方法来确定该测区因外部入侵引起的异常振动的起振点，记录该起振点的时间点t₀；

S3：分别找到与参考测区距离为5米的两个测区和距离为15米的两个测区，计算这四个测区的短时能量和短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方确定这四个测区的起振点，并记录起振点的时间点t₁、t₂、t₃、t₄，其中x₁＝5、x₂＝-5、x₃＝15、x₄＝-15；

S4：计算因外部入侵产生的异常振动到达参考测区的时间点t₀与到达其他测区的时间点t₁、t₂、t₃、t₄的时间差t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄；

S5：以参考测区的中点O为原点，以光栅阵列传感光缆1的中轴线为X轴，水平面内与光栅阵列传感光缆1的中轴线垂直的方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立坐标系，五个测区中点的坐标分别为O(0,0,0)、A(x₁,0,0)、B(x₂,0,0)、C(x₃,0,0)、D(x₄,0,0)；

S6：用振动波在土壤表层的传播速度与步骤S4中计算的时间差相乘，得到外部入侵位置距离计算时间差的两个测区的距离差；通过这个确定的距离差的值，可以得知外部入侵位置在以这两个测区为焦点的双曲线上；通过构建多个双曲线，双曲线的交点坐标就是外部入侵的位置坐标：设(x,y,z)为外部入侵位置的坐标，(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,2,3不同测区中点的位置坐标，d_i为外部入侵位置到测区中点的距离，则有

令

将式(1)等号两边同时平方，可得：

记d_i,0为外部入侵位置到参考测区中点与到其他测区中点的距离之差，显然有：

其中，d₀为外部入侵位置到参考测区中点的距离；

联立式(2)和式(3)，可得：

d_i,0 ²+2d_i,0d₀+d₀ ²＝P_i+x²+y²+z²-2x_ix-2y_iy-2z_iz (4)

将i＝0代入式(4)中，再与式(4)联立，可得：

令x_i,0＝x_i-x₀,y_i,0＝y_i-y₀,z_i,0＝z_i-z₀，可得：

化为矩阵形式，可得：

令i＝1,2,3，代入式(7)中，可得线性方程组：

通过伪逆法，得：

上式展开后是关于d₀的一元二次方程，因此可以根据这个方程式解出d₀的两个根，根据先验条件舍去其中一个根，保留有效根，再将该有效根代入式(1)中，即可求出外部入侵位置坐标。

所述第一步中当采集频率为1000Hz时，数据采集装置每秒采集1000次数据，在解调端将数据每100ms集成为一个数据包。

所述S3中的测区之间的距离是指的各测区中点之间的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置定位方法中采用大容量光栅阵列监测地铁隧道外部入侵引起的振动信号。以前的整体干涉环式和光散列式光纤振动传感器仅可用于周界安防，在小区域范围内判断有无外界扰动，不能用于地铁隧道这种大区间范围内结构安全监测，而大容量光栅阵列传感器实现了在一根光纤上制备数万个光栅传感器，从而能够实现在对大区间范围的实时监测。因此，本设计能够对地铁沿线进行全时全域的监测。

2、本发明一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置定位方法中根据同一振动信号到达大容量光栅阵列上不同测区的时间差，再根据这个距离差就可以确定外部入侵位置是在以这两个测区为焦点的两条双曲线上，这一方法与其他方法相比原理更简单，计算更快捷，不需要在光纤传感器上附加任何装置，仅需要异常振动的数据即可完成对外部入侵位置的定位。因此，本设计实现方法简单，能够快速输出入侵位置为地铁建设施工提供保障。

附图说明

图1是本发明光栅阵列传感光缆的铺设示意图。

图2是本发明算法的逻辑流程图。

图3是本发明的外部入侵定位示意图。

图中：光栅阵列传感光缆1、光纤振动检测仪2、轨道3。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图3，一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

第一步：设备铺设及数据采集，在外部施工前，在施工区域的轨道3沿线的洞壁上铺设一条光栅阵列传感光缆1，并每隔固定距离对光栅阵列传感光缆1进行固定，所述光栅阵列传感光缆1与光纤振动检测仪2信号连接；开启光纤振动检测仪2，并在外部进行施工，所述光纤振动检测仪2以5米为一个测区并以设定的采样频率f采集振动数据，并将采集的振动数据实时传输到服务器，对回传到服务器的数据预处理并打包成一个T*L的数据包存放到缓冲区中，其中T为100*1/f，L为沿线测区数量；

第二步：解析数据、确定外部入侵坐标，从缓冲区中获取原始监测振动数据包，解析数据包得到振动数据：

S1：采用S-G滤波器对原始监测数据进行平滑处理，再对平滑处理后的数据使用小波阈值去噪进行降噪处理；

S2：对S1中得到的去噪后的数据计算其每个测区的短时能量，将短时能量值最大的测区设置为参考测区；同时计算参考测区的短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方法来确定该测区因外部入侵引起的异常振动的起振点，记录该起振点的时间点t₀；

S3：分别找到与参考测区距离为5米的两个测区和距离为15米的两个测区，计算这四个测区的短时能量和短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方确定这四个测区的起振点，并记录起振点的时间点t₁、t₂、t₃、t₄，其中x₁＝5、x₂＝-5、x₃＝15、x₄＝-15；

S4：计算因外部入侵产生的异常振动到达参考测区的时间点t₀与到达其他测区的时间点t₁、t₂、t₃、t₄的时间差t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄；

S5：以参考测区的中点O为原点，以光栅阵列传感光缆1的中轴线为X轴，水平面内与光栅阵列传感光缆1的中轴线垂直的方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立坐标系，五个测区中点的坐标分别为O(0,0,0)、A(x₁,0,0)、B(x₂,0,0)、C(x₃,0,0)、D(x₄,0,0)；

S6：用振动波在土壤表层的传播速度与步骤S4中计算的时间差相乘，得到外部入侵位置距离计算时间差的两个测区的距离差；通过这个确定的距离差的值，可以得知外部入侵位置在以这两个测区为焦点的双曲线上；通过构建多个双曲线，双曲线的交点坐标就是外部入侵的位置坐标：设(x,y,z)为外部入侵位置的坐标，(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,2,3不同测区中点的位置坐标，d_i为外部入侵位置到测区中点的距离，则有

令

将式(1)等号两边同时平方，可得：

记d_i,0为外部入侵位置到参考测区中点与到其他测区中点的距离之差，显然有：

其中，d₀为外部入侵位置到参考测区中点的距离；

联立式(2)和式(3)，可得：

d_i,0 ²+2d_i,0d₀+d₀ ²＝P_i+x²+y²+z²-2x_ix-2y_iy-2z_iz (13)

将i＝0代入式(4)中，再与式(4)联立，可得：

/>

令x_i,0＝x_i-x₀,y_i,0＝y_i-y₀,z_i,0＝z_i-z₀，可得：

化为矩阵形式，可得：

令i＝1,2,3，代入式(7)中，可得线性方程组：

通过伪逆法，得：

上式展开后是关于d₀的一元二次方程，因此可以根据这个方程式解出d₀的两个根，根据先验条件舍去其中一个根，保留有效根，再将该有效根代入式(1)中，即可求出外部入侵位置坐标。

所述第一步中当采集频率为1000Hz时，数据采集装置每秒采集1000次数据，在解调端将数据每100ms集成为一个数据包。

所述S3中的测区之间的距离是指的各测区中点之间的距离。

本发明的原理说明如下：

基于到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)的定位算法在二维界面下通过多条双曲线的交点来实现对目标的定位。首先，对去噪后的信号进行时延估计获得我们所需的时间差，然后根据时间差可以确定外部入侵位置与两个测区之间的距离差，再根据这个距离差就可以确定外部入侵位置是在以这两个测区为焦点的两条双曲线上，最后根据多个双曲线的交点即可确定外部入侵的位置。经典的基于TDOA的定位算法有Chan算法、Taylor级数算法等。

实施例1：一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

第一步：设备铺设及数据采集，在外部施工前，在施工区域的轨道3沿线的洞壁上铺设一条光栅阵列传感光缆1，并每隔固定距离对光栅阵列传感光缆1进行固定，所述光栅阵列传感光缆1与光纤振动检测仪2信号连接；开启光纤振动检测仪2，并在外部进行施工，所述光纤振动检测仪2以5米为一个测区并以设定的采样频率f采集振动数据，并将采集的振动数据实时传输到服务器，对回传到服务器的数据预处理并打包成一个T*L的数据包存放到缓冲区中，其中T为100*1/f，L为沿线测区数量；

第二步：解析数据、确定外部入侵坐标，从缓冲区中获取原始监测振动数据包，解析数据包得到振动数据：

S1：采用S-G滤波器对原始监测数据进行平滑处理，再对平滑处理后的数据使用小波阈值去噪进行降噪处理；

S2：对S1中得到的去噪后的数据计算其每个测区的短时能量，将短时能量值最大的测区设置为参考测区；同时计算参考测区的短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方法来确定该测区因外部入侵引起的异常振动的起振点，记录该起振点的时间点t₀；

S3：分别找到与参考测区距离为5米的两个测区和距离为15米的两个测区，计算这四个测区的短时能量和短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方确定这四个测区的起振点，并记录起振点的时间点t₁、t₂、t₃、t₄，其中x₁＝5、x₂＝-5、x₃＝15、x₄＝-15；测区之间的距离是指的各测区中点之间的距离；

S4：计算因外部入侵产生的异常振动到达参考测区的时间点t₀与到达其他测区的时间点t₁、t₂、t₃、t₄的时间差t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄；

S5：以参考测区的中点O为原点，以光栅阵列传感光缆1的中轴线为X轴，水平面内与光栅阵列传感光缆1的中轴线垂直的方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立坐标系，五个测区中点的坐标分别为O(0,0,0)、A(x₁,0,0)、B(x₂,0,0)、C(x₃,0,0)、D(x₄,0,0)；

S6：用振动波在土壤表层的传播速度与步骤S4中计算的时间差相乘，得到外部入侵位置距离计算时间差的两个测区的距离差；通过这个确定的距离差的值，可以得知外部入侵位置在以这两个测区为焦点的双曲线上；通过构建多个双曲线，双曲线的交点坐标就是外部入侵的位置坐标：设(x,y,z)为外部入侵位置的坐标，(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,2,3不同测区中点的位置坐标，d_i为外部入侵位置到测区中点的距离，则有

令

将式(1)等号两边同时平方，可得：

记d_i,0为外部入侵位置到参考测区中点与到其他测区中点的距离之差，显然有：

其中，d₀为外部入侵位置到参考测区中点的距离；

联立式(2)和式(3)，可得：

d_i,0 ²+2d_i,0d₀+d₀ ²＝P_i+x²+y²+z²-2x_ix-2y_iy-2z_iz (22)

将i＝0代入式(4)中，再与式(4)联立，可得：

令x_i,0＝x_i-x₀,y_i,0＝y_i-y₀,z_i,0＝z_i-z₀，可得：

化为矩阵形式，可得：

令i＝1,2,3，代入式(7)中，可得线性方程组：

通过伪逆法，得：

上式展开后是关于d₀的一元二次方程，因此可以根据这个方程式解出d₀的两个根，根据先验条件舍去其中一个根，保留有效根，再将该有效根代入式(1)中，即可求出外部入侵位置坐标。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述第一步中当采集频率为1000Hz时，数据采集装置每秒采集1000次数据，在解调端将数据每100ms集成为一个数据包。

Claims (3)

1.一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法，其特征在于：所述定位方法包括以下步骤：

第一步：设备铺设及数据采集，在外部施工前，在施工区域的轨道(3)沿线的洞壁上铺设一条光栅阵列传感光缆(1)，并每隔固定距离对光栅阵列传感光缆(1)进行固定，所述光栅阵列传感光缆(1)与光纤振动检测仪(2)信号连接；开启光纤振动检测仪(2)，并在外部进行施工，所述光纤振动检测仪(2)以5米为一个测区并以设定的采样频率f采集振动数据，并将采集的振动数据实时传输到服务器，对回传到服务器的数据预处理并打包成一个T*L的数据包存放到缓冲区中，其中T为100*1/f，L为沿线测区数量；

第二步：解析数据、确定外部入侵坐标，从缓冲区中获取原始监测振动数据包，解析数据包得到振动数据：

S1：采用S-G滤波器对原始监测数据进行平滑处理，再对平滑处理后的数据使用小波阈值去噪进行降噪处理；

S2：对S1中得到的去噪后的数据计算其每个测区的短时能量，将短时能量值最大的测区设置为参考测区；同时计算参考测区的短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方法来确定该测区因外部入侵引起的异常振动的起振点，记录该起振点的时间点t₀；

S3：分别找到与参考测区距离为5米的两个测区和距离为15米的两个测区，计算这四个测区的短时能量和短时过零率，通过基于短时能量和短时过零率的端点检测方确定这四个测区的起振点，并记录起振点的时间点t₁、t₂、t₃、t₄，其中x₁＝5、x₂＝-5、x₃＝15、x₄＝-15；

S4：计算因外部入侵产生的异常振动到达参考测区的时间点t₀与到达其他测区的时间点t₁、t₂、t₃、t₄的时间差t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄；

S5：以参考测区的中点O为原点，以光栅阵列传感光缆(1)的中轴线为X轴，水平面内与光栅阵列传感光缆(1)的中轴线垂直的方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立坐标系，五个测区中点的坐标分别为O(0,0,0)、A(x₁,0,0)、B(x₂,0,0)、C(x₃,0,0)、D(x₄,0,0)；

S6：用振动波在土壤表层的传播速度与步骤S4中计算的时间差相乘，得到外部入侵位置距离计算时间差的两个测区的距离差；通过这个确定的距离差的值，可以得知外部入侵位置在以这两个测区为焦点的双曲线上；通过构建多个双曲线，双曲线的交点坐标就是外部入侵的位置坐标：设(x,y,z)为外部入侵位置的坐标，(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,2,3不同测区中点的位置坐标，d_i为外部入侵位置到测区中点的距离，则有

令

将式(1)等号两边同时平方，可得：

记d_i,0为外部入侵位置到参考测区中点与到其他测区中点的距离之差，显然有：

其中，d₀为外部入侵位置到参考测区中点的距离；

联立式(2)和式(3)，可得：

d_i,0 ²+2d_i,0d₀+d₀ ²＝P_i+x²+y²+z²-2x_ix-2y_iy-2z_iz (4)

将i＝0代入式(4)中，再与式(4)联立，可得：

令x_i,0＝x_i-x₀,y_i,0＝y_i-y₀,z_i,0＝z_i-z₀，可得：

化为矩阵形式，可得：

令i＝1,2,3，代入式(7)中，可得线性方程组：

通过伪逆法，得：

上式展开后是关于d₀的一元二次方程，因此可以根据这个方程式解出d₀的两个根，根据先验条件舍去其中一个根，保留有效根，再将该有效根代入式(1)中，即可求出外部入侵位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法，其特征在于：

所述第一步中当采集频率为1000Hz时，数据采集装置每秒采集1000次数据，在解调端将数据每100ms集成为一个数据包。

3.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的地铁隧道外部入侵位置的定位方法，其特征在于：

所述S3中的测区之间的距离是指的各测区中点之间的距离。

Images