CN112255590B - 基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法及装置 - Google Patents

基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，针对搜索范围划分网格，标记各搜索网格位置序号；基于气象参数，计算声速的梯度分布；基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵；传声器阵列接收数据，计算接收数据的协方差矩阵；根据所述匹配库矩阵中各搜索网格所对应的数据和所述协方差矩阵，基于模糊函数计算每个搜索网格的匹配值；根据搜索网格的匹配值，确定声源位置。本发明能够有效降低弯曲效应对声探测的影响，提高低空声目标定位精度。

Description

基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法及装置。
背景技术
直升机作为战场的主要机动设备，兼具较强的战斗能力和侦察能力。当其以超低空姿态飞行时甚至可以避开雷达的搜索。由于其具有动力设备具有明显的辐射噪声，很多工程人员采取声波被动探测的方式对其进行检测、定位和识别。
目前的探测手段主要分为基于波束形成、空间谱估计以及基于TDOA的方法。波束形成的方法一方面只能定向，另外获得高精度的方向信息需要较大的阵列的孔径，这很不利于工程化。空间谱估计的方法也受类似于波束形成的阵列参数限制，同事其算法计算复杂度较高，不利于对目标的快速解算。基于TDOA定位是目前的主要方法，在距离目标一定位置布设多个传声器接收目标信号，再通过信号处理算法估计各通道之间的信号到达时间差并结合几何位置关系进行交汇定位。然而，由于气象条件如温度和风速的变化，声目标到达传声器位置的声波传播路径存在一定弯曲效应，温度和风速的空间分布差异越大，弯曲效应越明显，这一效应会引起各传声器位置到达时间差存在一定误差，该误差会引起双曲线交汇定位较大误差甚至无法交汇定位目标。因此，基于传统方法对低空环境下声目标进行远距离探测性能较差，需要一种对声弯曲传播效应不敏感的声源反演定位方法。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法及装置，能够有效降低弯曲效应对声探测的影响，提高低空声目标定位精度。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对搜索范围划分网格，标记各搜索网格位置序号；
步骤2：基于气象参数，计算声速的梯度分布；
步骤3：基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵；
步骤4：传声器阵列接收数据，计算接收数据的协方差矩阵；
步骤5：根据所述匹配库矩阵中各搜索网格所对应的数据和所述协方差矩阵，基于模糊函数计算每个搜索网格的匹配值；根据搜索网格的匹配值，确定声源位置。
进一步地，步骤1中，以基准传声器位置为坐标原点，确定各传声器位置rmic＝(xmic,ymic)；设定最大搜索距离Rmax和最大搜索高度Hmax；分别设定距离搜索间隔△R和搜索高度间隔△H，搜索网格总数目G为距离维度NR＝Rmax/△R和高度维度NH＝Hmax/△H的乘积。
进一步地，步骤1中，△R取值范围10m-50m，△H取50m；或△R取值范围100m-200m，△H取100m。
进一步地，步骤2中，所述当前气象参数包括温度和风速，声速与温度、风速的关系式如下：
式中，c0是0℃时的空气声速，T0是绝对零度，T是温度(K),v表示风速数值，θ表示声速方向与声传播方向的夹角。
进一步地，计算得到声速c随高度h的分布c＝f(h)＝a+bh,a和b为拟合的系数。
进一步地，步骤3中，假设每个搜索网格位置rg存在声源，计算每个网格位置与各接受传声器位置rmic之间的声波脉冲N次到达时间tg,m＝[t1,t2,...tN]，据此构建脉冲响应为通过FFT计算得到其传递函数hgm(f)，构建矢量ag(f)＝[hg1(f) …hgM(f)]；将ag＝[ag(f1) … ag(fF)]标记为将各搜索网格位置rg对应的由F个频点匹配项构成的行矢量。
进一步地，步骤5中，根据各接收数据的F个频点的协方差矩阵K(f)和各搜索网格位置rg对应匹配项ag(f)，基于模糊函数进行匹配计算，将各频率模糊数值叠加求和得每个搜索网格位置对应的匹配值。
进一步地，步骤5中，B≥0.95*Bmax对应的搜索网格作为目标范围，Bmax表示全部搜索网格的最大匹配值，B表示搜索网格的匹配值。
进一步地，步骤3中，匹配库矩阵可离线计算，当风速偏差大于2m/s或温度偏差大于5℃时重新调整声速分布，重新计算匹配库矩阵。
2、一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位装置，其特征在于，包括：
传声器阵列，所述传声器阵列用于采集声音信号；
匹配库矩阵构建单元，所述匹配库矩阵构建单元可执行以下操作：针对搜索范围划分网格，标记各搜索网格位置序号；基于气象参数，计算声速的梯度分布；基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵；
声源定位单元，所述声源定位单元可执行以下操作：根据所述匹配库矩阵中各搜索网格所对应的数据和传声器阵列接收数据的协方差矩阵，基于模糊函数计算每个搜索网格的匹配值；根据搜索网格的匹配值，确定声源位置；
显示单元，所述显示单元用于将声源定位结果进行显示。
本发明具有的有益效果：
本发明基于气象参数，计算声速的梯度分布；基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵；根据所述匹配库矩阵，通过模糊函数的对比实现对目标的有效定位。本发明通过对目标区域声场进行预计算再通过模糊函数匹配搜索，可以有效降低弯曲效应对声探测的影响，提高低空环境下的远距离声目标定位精度。
本发明以基准传声器位置为坐标原点，确定各传声器位置rmic＝(xmic,ymic)；设定最大搜索距离Rmax和最大搜索高度Hmax；分别设定距离搜索间隔△R和搜索高度间隔△H，搜索网格总数目G为距离维度NR＝Rmax/△R和高度维度NH＝Hmax/△H的乘积。△R取值范围10m-50m，△H取50m；或△R取值范围100m-200m，△H取100m。本发明通过上述对搜索网格的合理划分，保证获得有效的匹配库矩阵，进而保证低空环境下的远距离声目标定位精度。
本发明所述当前气象参数包括温度和风速，声速与温度、风速的关系式如下：
式中，c0是0℃时的空气声速，T0是绝对零度，T是温度(K),v表示风速数值，θ表示声速方向与声传播方向的夹角。计算得到声速c随高度h的分布c＝f(h)＝a+bh,a和b为拟合的系数。本发明基于气象参数，通过上述方法对目标区域声场进行预计算，保证获得有效的匹配库矩阵，进而保证提高低空环境下的远距离声目标定位精度。
本发明根据各接收数据的F个频点的协方差矩阵K(f)和各搜索网格位置rg对应匹配项ag(f)，基于模糊函数进行匹配计算，将各频率模糊数值叠加求和得每个搜索网格位置对应的匹配值；B≥0.95*Bmax对应的搜索网格作为目标范围，Bmax表示全部搜索网格的最大匹配值，B表示搜索网格的匹配值。本发明通过上述匹配计算方法，进一步保证了低空环境下的远距离声目标定位精度。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是模糊函数实现流程图；
图3是本发明装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图所示的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。
实施例一：
基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法
如图1所示，一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对搜索范围划分网格，标记各搜索网格位置序号为g＝1,2,...,G，对应的各网格坐标为rg＝(xg,yg)。
搭建声波探测设备，具体包括信号采集器、传声器、连接线、数据存储PC、通信设备和数据传输设备，为有效探测目标的10Hz左右低频声波，传声器配置间隔d需满足大于对应频率的半波长17m。传声器采取分布式布设5-10个，为获得较好的定位精度，实际布设也可根据工程环境增加传声器数目到20个。
以基准传声器位置为坐标原点，确定各传声器位置rmic＝(xmic,ymic)；设定最大搜索距离Rmax和最大搜索高度Hmax；分别设定距离搜索间隔△R和搜索高度间隔△H，搜索网格总数目G为距离维度NR＝Rmax/△R和高度维度NH＝Hmax/△H的乘积。标记各搜索网格位置序号为g＝1,2,...,G，对应的各网格坐标为rg＝(xg,yg)。
搜索距离Rmax可根据需要选取，最大不超过20km，搜索高度H最大不超过2km。△R取值范围10m-50m，△H取50m；当定位精度要求不高时，为加快计算速度，△R取值范围100m-200m，△H取100m。
步骤2：基于气象参数，计算声速的梯度分布。
所述当前气象参数包括温度和风速，声速与温度、风速的关系式如下：
式中，c0是0℃时的空气声速，T0是绝对零度(-273.15K)，T是温度,v表示风速数值，θ表示声速方向与声传播方向的夹角。
计算得到声速c随高度h的分布c＝f(h)＝a+bh,a和b为拟合的系数。根据声速随高度的分布并拟合为2km高度以下以10m为间隔的声速数据。
步骤3：基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵。
假设每个搜索网格位置rg存在声源，计算每个网格位置与各接受传声器位置rmic之间的声波脉冲N次到达时间tg,m＝[t1,t2,...tN]，据此构建脉冲响应为通过FFT计算得到其传递函数hgm(f)，构建矢量ag(f)＝[hg1(f) … hgM(f)]；将ag＝[ag(f1) … ag(fF)]标记为将各搜索网格位置rg对应的由F个频点匹配项构成的行矢量。对应F个频点的传递函数组合得到G个位置对应构成的匹配库矩阵A＝[a1(f)；a2(f)；…；aG(f)]，对应矩阵维度为G×F。
匹配库矩阵可离线计算，当风速偏差大于2m/s或温度偏差大于5℃时重新调整声速分布，重新计算匹配库矩阵。
步骤4：传声器阵列接收数据，计算接收数据的协方差矩阵。
接收数据为p(t)＝[p1(t) … pm(t) … pM(t)],m＝1,2,...,M,M表示有效的传声器数目。计算接收数据的协方差矩阵K＝E(p(t)·pH(t))，记对应频率f的协方差矩阵为K(f)。主频点的选取主要集中在10-500Hz的范围，频率间隔0.5Hz。
步骤5：根据所述匹配库矩阵中各搜索网格所对应的数据和所述协方差矩阵，基于模糊函数计算每个搜索网格的匹配值；根据搜索网格的匹配值，确定声源位置。
根据各接收数据的F个频点的协方差矩阵K(f)和各搜索网格位置rg对应匹配项ag(f)，基于模糊函数进行匹配计算，将各频率模糊数值叠加求和得每个搜索网格位置对应的匹配值最终可得各位置模糊函数数值构成的模糊矩阵为B＝[B(r1) B(r2) … B(rG)]，模糊函数数值较大的多个网格位置为可能的声源位置。本实施例中，B≥0.95*Bmax对应的搜索网格作为目标范围，Bmax表示全部搜索网格的最大匹配值，B表示搜索网格的匹配值。
如上所述，所说模糊函数表示的是各接收位置rmic的接收信号pi(t),m＝1,2,...,M经搜索网格位置rg对应的导向矢量ag＝[ag(f1) … ag(fF)]进行空间滤波加权后所形成的，其实质是表示接收信号导向搜索网格时形成的信号能量。其表达式为：
其中：
p(t)＝[p1(t) … pm(t) … pM(t)]表示M个位置的接收信号组成的矩
阵；
K＝E(p(t)·pH(t))表示接收信号的协方差矩阵；
K(f)表示对应频率f的协方差矩阵；
ag＝[ag(f1) … ag(fF)]表示各搜索网格位置rg对应的F个频点构成的导向矢量；
ag(f)＝[hg1(f) … hgM(f)]表示由步骤2的声速分布计算得到的脉冲响应经FFT计算得的传递函数hgm(f)构成，Ts表示采样时间。
基于模糊函数匹配时，不同于常规波束形成或子空间类的阵列定位算法，采集声信号时不要求阵列一定要按照某种几何形式进行搭建。因此可使用多位置采样的单传声器或传声器阵列。低空环境声探测的目标是尽可能准确地定位较远目标的距离，因此，所选用传声器应具有较高的电声灵敏度并具有较宽的频率响应，特别是要包含目标主要频段，采集系统也应具有良好的抗噪声能力，对于测量环境的噪声干扰，如风噪声、工业设备噪声等，需要附加能抑制噪声的防风结构。
如图2所示，基于于模糊函数匹配的反演声源定位技术最终输出目标声源的方向或位置信息，需要的输入信息主要包括实测数据、匹配声场数据和匹配处理参数。匹配定位的实现过程分为离线处理部分和在线处理部分。离线处理部分主要是对当前目标声场气象信息的处理、声速分布的计算和建立匹配库。在线部分包括对目标声的采样、预处理和匹配库数据导入计算模糊函数。
实施例二：
基于模糊函数匹配的低空声源反演定位装置
如图3所示，基于模糊函数匹配的低空声源反演定位装置包括：
传声器阵列，所述传声器阵列用于采集声音信号；
匹配库矩阵构建单元，所述匹配库矩阵构建单元可执行以下操作：针对搜索范围划分网格，标记各搜索网格位置序号；基于气象参数，计算声速的梯度分布；基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵；
声源定位单元，所述声源定位单元可执行以下操作：根据所述匹配库矩阵中各搜索网格所对应的数据和传声器阵列接收数据的协方差矩阵，基于模糊函数计算每个搜索网格的匹配值；根据搜索网格的匹配值，确定声源位置；
显示单元，所述显示单元用于将声源定位结果进行显示。
实施例二的声源定位工作原理(方法)同实施例一。
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 (4)

1.一种基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对搜索范围划分网格，标记各搜索网格位置序号；
以基准传声器位置为坐标原点，确定各传声器位置rmic＝(xmic,ymic)；设定最大搜索距离Rmax和最大搜索高度Hmax；分别设定距离搜索间隔ΔR和搜索高度间隔ΔH，搜索网格总数目G为距离维度NR＝Rmax/ΔR和高度维度NH＝Hmax/ΔH的乘积；
步骤2：基于气象参数，计算声速的梯度分布；
所述气象参数包括温度和风速，声速与温度、风速的关系式如下：
式中，c0是0℃时的空气声速，T0是绝对零度，T是温度(K),v表示风速数值，θ表示声速方向与声传播方向的夹角；
计算得到声速c随高度h的分布c＝f(h)＝a+bh,a和b为拟合的系数；
步骤3：基于所述声速的梯度分布，计算各搜索网格与传声器阵列的脉冲响应，构建匹配库矩阵；
匹配库矩阵可离线计算，当风速偏差大于2m/s或温度偏差大于5℃时重新调整声速分布，重新计算匹配库矩阵；
步骤4：传声器阵列接收数据，计算接收数据的协方差矩阵；
步骤5：根据所述匹配库矩阵中各搜索网格所对应的数据和所述协方差矩阵，基于模糊函数计算每个搜索网格的匹配值；根据搜索网格的匹配值，确定声源位置；B≥0.95*Bmax对应的搜索网格作为目标范围，Bmax表示全部搜索网格的最大匹配值，B表示搜索网格的匹配值。
2.根据权利要求1所述的基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，其特征在于：步骤1中，ΔR取值范围10m-50m，ΔH取50m；或ΔR取值范围100m-200m，ΔH取100m。
3.根据权利要求1所述的基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，其特征在于：步骤3中，假设每个搜索网格位置rg存在声源，计算每个网格位置与各接受传声器位置rmic之间的声波脉冲N次到达时间tg,m＝[t1,t2,...tN]，据此构建脉冲响应为通过FFT计算得到其传递函数hgm(f)，构建矢量ag(f)＝[hg1(f)… hgM(f)]；将ag＝[ag(f1) … ag(fF)]标记为将各搜索网格位置rg对应的由F个频点匹配项构成的行矢量。
4.根据权利要求3所述的基于模糊函数匹配的低空声源反演定位方法，其特征在于：步骤5中，根据各接收数据的F个频点的协方差矩阵K(f)和各搜索网格位置rg对应匹配项ag(f)，基于模糊函数进行匹配计算，将各频率模糊数值叠加求和得每个搜索网格位置对应的匹配值。
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