CN112596101B - 基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法。首先由地震检波器阵列采集五路三分量地震信号，并对信号进行插值处理，然后选择时延估计窗口，通过本征模态函数时延估计法对信号进行时延估计，再结合地震检波器空间位置计算得到飞行目标位置，最后将每个时延估计窗口计算得到的目标位置点进行曲线拟合得到飞行目标的运动轨迹。本发明采用平面五元的地震检波器阵列，与声阵列相比，地震检波器所处环境能有效抑制背景噪声干扰，更隐蔽难以被发现，适用于快速运动目标及静止目标，系统工作速度快可做到实时定位。该定位方法适用于喷气式飞机、直升机等低空飞行器的定位和跟踪。

Description

基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法

技术领域：

本发明涉及一种基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法，该方法适用于低空飞行目标以及地面运动目标的定位和跟踪，涉及地震数据采集以及地震检波器阵列信号处理领域。

背景技术：

低空飞行目标由于其飞行高度低，利用复杂地形遮挡如山地丘陵等，雷达散射截面小，一般雷达难以发现。传统的定位与跟踪方法一般是通过声传感器阵列接收目标在飞行过程中产生的声音信号实现目标定位，但是该方法采用的声传感器在野外工作中，易受到背景噪声的干扰，如风声、雨声或其他自然声源和人工声源，信号质量较差，且声传感器一般采用电容式结构，需要电源供电才能正常工作，不利于长时间全天候工作。在军事环境中，声传感器阵列一般置于地表或悬浮在空中，容易受到破坏。因此需要一种安全、信号质量好且可长时间全天候工作的定位系统作为声传感器阵列的补充或替代部分。

发明内容：

本发明的目的是在声传感器阵列定位和跟踪低空飞行目标的方法之外，提供一种基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法，作为声传感器阵列定位和跟踪方法的替代方法。

本发明的主要思想是：低空飞行目标在低空飞行时，其产生的声波会与地面发生耦合作用形成瑞雷波并在地表传播，我们使用地震检波器接收瑞雷波信号，从而对低空目标进行定位和跟踪。据此本发明提出了一种基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法，首先由地震检波器阵列采集五路地震信号，由于地震仪采样率低不能满足数据处理要求，所以对信号进行插值处理，然后选择时延估计窗口，通过IMF时延估计法对信号进行时延估计，再结合地震检波器空间位置计算得到飞行目标位置，最后将每个时延估计窗口计算得到的目标位置点进行曲线拟合得到飞行目标的运动轨迹。这种方法不仅能保证定位精度，而且与常规声阵列定位低空飞行目标的方法相比，地震检波器所处环境能有效抑制背景噪声干扰，且更隐蔽难以被发现。与此同时，地震检波器为动圈式结构，不需要供电就能正常工作，易维护，适合长时间全天候工作。

本发明的具体实现如下：

基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法，包括以下步骤：

a、将五个三分量地震检波器按十字形分布埋于地下，检波器上表面距离地表5cm，中心点检波器到其他检波器的距离为L，检波器的采样率为Fs，当目标飞过时，采集五个地震检波器接收到的三分量目标信号，包括垂直分量、水平分量Ⅰ和水平分量Ⅱ；

b、五个检波器采集到的垂直分量采样序列分别为s₁(n)、s₂(n)、s₃(n)、s₄(n)、s₅(n)，s₁(n)为中心检波器的垂直分量采样序列，n为采样值在序列中出现的序号，取值为0,±1,±2,…；

c、对信号s₁(n)进行插值处理，插值因子为K：

K值取2，对其他四路信号进行相同的插值处理；

d、对s₁(n)、s₂(n)、s₃(n)、s₄(n)、s₅(n)中目标信号特征明显的部分截取同一时间点、窗口长度为C的采样序列，命为S₁(n)、S₂(n)、S₃(n)、S₄(n)、S₅(n)，若信号在空中传播速度为V，则窗口长度C的选择标准为C＝3L/V；

e、对序列S₁(n)进行经验模态分解，得到Z个本征模态函数(IMF)分量(I₁,I₂,…,I_z)以及一个余量R₁，对S₁(n)和Z个IMF分量分别进行傅里叶变换得到对应的频谱曲线F[S₁(n)]、(F(I₁),F(I₂),…,F(I_Z))，分别计算F[S₁(n)]与(F(I₁),F(I₂),…,F(I_Z))中每个IMF分量频谱曲线的相关系数，选取相关系数大于0.6的较强相关IMF分量成为S₁(n)的有效IMF分量(I_M,I_M+1,…,I_N)；

f、重复步骤e得到S₂(n)的有效IMF分量(J_M,J_M+1,…,J_N)，分别计算(I_M,I_M+1,…,I_N)与(J_M,J_M+1,…,J_N)中相对应IMF分量之间的频谱相似性，计算结果组成频谱相似性序列[S_M,S_M+1,…,S_N]，对该序列元素值进行归一化，将归一化结果作图形成频谱相似性结果关系曲线，选取该曲线上频谱相似性结果大于B₁的这些值，B₁值取0.7，定义下式计算对应IMF分量之间的频谱相似性：

式中x为(I_M,I_M+1,…,I_N)的某一IMF分量，y为(J_M,J_M+1,…,J_N)的对应IMF分量，函数F代表傅里叶变换；

g、对其他分量信号水平分量Ⅰ和水平分量Ⅱ重复步骤b-f，选出频谱相似性结果大于B₁的所有值对应的有效IMF分量，其中中心检波器三个分量的采样序列频谱相似性结果大于B₁的所有值对应的有效IMF分量为(F₁,F₂,…,F_W)；

h、对选出的所有的三分量的每两个对应IMF分量分别进行互相关时延估计得到时延估计值序列X＝[X₁,X₂,…,X_W]，增大插值因子K直至时延估计值精度高于10^-4s，同时得到互相关时延估计结果，对所有的互相关时延估计结果进行叠加，画出互相关时延估计结果叠加后的曲线，曲线的峰值对应的横坐标即为采样序列S₁(n)与S₂(n)的时延估计值t1；

i、重复步骤f-h，分别计算出采样序列S₁(n)与S₃(n)、S₄(n)、S₅(n)的时延估计值t2、t3、t4，根据五元十字阵和目标的几何位置关系利用余弦定理计算出飞行目标位置；

j、依据所需拟合精度等间隔依次选取时延窗口，重复上述步骤得到多个目标位置点，将这些点进行最小二乘拟合得到飞行目标的运动曲线。

有益效果：经验证，在低空飞行目标(直升机、喷气式飞机等)定位和跟踪领域，本发明提出的一种基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法，不仅能保证与声阵列同样的相对精度，而且与常规声阵列定位低空飞行目标的方法相比，地震检波器所处环境能有效抑制背景噪声干扰，且更隐蔽难以被发现。与此同时，地震检波器为动圈式结构，不需要供电就能正常工作，易维护，适合长时间全天候工作。本方法既适用于快速运动目标，又适用于静止目标，速度快可做到实时定位。

附图说明：

图1地震检波器布设平面图

图2地震检波器垂直分量数据记录

具体实施方式：

下面结合附图做进一步的详细说明：

实验地点为某机场，将五个三分量地震检波器按十字形分布埋于地下，如图1所示，检波器位置在飞机航线下方，三分量检波器上表面距离地表5cm，中心点检波器到其他检波器的距离为L，检波器的采样率为Fs；

a、当目标飞过时，采集五个地震检波器接收到的三分量目标信号，包括垂直分量、水平分量Ⅰ和水平分量Ⅱ；

b、五个检波器采集到的垂直分量采样序列分别为s₁(n)、s₂(n)、s₃(n)、s₄(n)、s₅(n)，如图2所示，横轴时间为采样点数除以采样频率得到，s₁(n)为中心检波器的垂直分量采样序列，n为采样值在序列中出现的序号，取值为0,±1,±2,…；

c、对信号s₁(n)进行插值处理，插值因子为K：

K值取2，对其他四路信号进行相同的插值处理；

d、对s₁(n)、s₂(n)、s₃(n)、s₄(n)、s₅(n)中目标信号特征明显的部分截取同一时间点、窗口长度为C的采样序列，命为S₁(n)、S₂(n)、S₃(n)、S₄(n)、S₅(n)，若信号在空中传播速度为V，则窗口长度C的选择标准为C＝3L/V；

e、对序列S₁(n)进行经验模态分解，得到Z个本征模态函数(IMF)分量(I₁,I₂,…,I_z)以及一个余量R₁，对S₁(n)和Z个IMF分量分别进行傅里叶变换得到对应的频谱曲线F[S₁(n)]、(F(I₁),F(I₂),…,F(I_Z))，分别计算F[S₁(n)]与(F(I₁),F(I₂),…,F(I_Z))中每个IMF分量频谱曲线的相关系数，选取相关系数大于0.6的较强相关IMF分量成为S₁(n)的有效IMF分量(I_M,I_M+1,…,I_N)；

f、重复步骤e得到S₂(n)的有效IMF分量(J_M,J_M+1,…,J_N)，分别计算(I_M,I_M+1,…,I_N)与(J_M,J_M+1,…,J_N)中相对应IMF分量之间的频谱相似性，计算结果组成频谱相似性序列[S_M,S_M+1,…,S_N]，对该序列元素值进行归一化，将归一化结果作图形成频谱相似性结果关系曲线，选取该曲线上频谱相似性结果大于B₁的这些值，B₁值取0.7，定义下式计算对应IMF分量之间的频谱相似性：

式中x为(I_M,I_M+1,…,I_N)的某一IMF分量，y为(J_M,J_M+1,…,J_N)的对应IMF分量，函数F代表傅里叶变换；

g、对其他分量信号水平分量Ⅰ和水平分量Ⅱ重复步骤b-f，选出频谱相似性结果大于B₁的所有值对应的有效IMF分量，其中中心检波器三个分量的采样序列频谱相似性结果大于B₁的所有值对应的有效IMF分量为(F₁,F₂,…,F_W)；

h、对选出的所有的三分量的每两个对应IMF分量分别进行互相关时延估计得到时延估计值序列X＝[X₁,X₂,…,X_W]，增大插值因子K直至时延估计值精度高于10^-4s，同时得到互相关时延估计结果，对所有的互相关时延估计结果进行叠加，画出互相关时延估计结果叠加后的曲线，曲线的峰值对应的横坐标即为采样序列S₁(n)与S₂(n)的时延估计值t1；

i、重复步骤f-h，分别计算出采样序列S₁(n)与S₃(n)、S₄(n)、S₅(n)的时延估计值t2、t3、t4，根据五元十字阵和目标的几何位置关系利用余弦定理计算出飞行目标位置。我们选取如图2所示两个时间窗口，经以上步骤计算，得出飞机的经纬坐标分别为(125°40’8.40”东，43°59’12.62”北)、(125°39’49.25”东，43°59’1.82”北)，测距相对误差在10％左右；

j、依据所需拟合精度等间隔依次选取时延窗口，重复上述步骤得到多个目标位置点，将这些点进行最小二乘拟合得到飞行目标的运动曲线。

Claims (1)

1.基于地震检波器阵列的低空飞行目标定位和跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将五个三分量地震检波器按十字形分布埋于地下，检波器上表面距离地表5cm，中心点检波器到其他检波器的距离为L，检波器的采样率为Fs，当目标飞过时，采集五个地震检波器接收到的三分量目标信号，包括垂直分量、水平分量Ⅰ和水平分量Ⅱ；

b、五个检波器采集到的垂直分量采样序列分别为s₁(n)、s₂(n)、s₃(n)、s₄(n)、s₅(n)，s₁(n)为中心检波器的垂直分量采样序列，n为采样值在序列中出现的序号，取值为0,±1,±2,…；

c、对信号s₁(n)进行插值处理，插值因子为K：

K值取2，对其他四路信号进行相同的插值处理；

d、对s₁(n)、s₂(n)、s₃(n)、s₄(n)、s₅(n)中目标信号特征明显的部分截取同一时间点、窗口长度为C的采样序列，命为S₁(n)、S₂(n)、S₃(n)、S₄(n)、S₅(n)，若信号在空中传播速度为V，则窗口长度C的选择标准为C＝3L/V；

e、对序列S₁(n)进行经验模态分解，得到Z个本征模态函数(IMF)分量(I₁,I₂,…,I_z)以及一个余量R₁，对S₁(n)和Z个IMF分量分别进行傅里叶变换得到对应的频谱曲线F[S₁(n)]、(F(I₁),F(I₂),…,F(I_Z))，分别计算F[S₁(n)]与(F(I₁),F(I₂),…,F(I_Z))中每个IMF分量频谱曲线的相关系数，选取相关系数大于0.6的较强相关IMF分量成为S₁(n)的有效IMF分量(I_M,I_M+1,…,I_N)；

f、重复步骤e得到S₂(n)的有效IMF分量(J_M,J_M+1,…,J_N)，分别计算(I_M,I_M+1,…,I_N)与(J_M,J_M+1,…,J_N)中相对应IMF分量之间的频谱相似性，计算结果组成频谱相似性序列[S_M,S_M+1,…,S_N]，对该序列元素值进行归一化，将归一化结果作图形成频谱相似性结果关系曲线，选取该曲线上频谱相似性结果大于B₁的这些值，B₁值取0.7，定义下式计算对应IMF分量之间的频谱相似性：

式中x为(I_M,I_M+1,…,I_N)的某一IMF分量，y为(J_M,J_M+1,…,J_N)的对应IMF分量，函数F代表傅里叶变换；

g、对其他分量信号水平分量Ⅰ和水平分量Ⅱ重复步骤b-f，选出频谱相似性结果大于B₁的所有值对应的有效IMF分量，其中中心检波器三个分量的采样序列频谱相似性结果大于B₁的所有值对应的有效IMF分量为(F₁,F₂,…,F_W)；

h、对选出的所有的三分量的每两个对应IMF分量分别进行互相关时延估计得到时延估计值序列X＝[X₁,X₂,…,X_W]，增大插值因子K直至时延估计值精度高于10^-4s，同时得到互相关时延估计结果，对所有的互相关时延估计结果进行叠加，画出互相关时延估计结果叠加后的曲线，曲线的峰值对应的横坐标即为采样序列S₁(n)与S₂(n)的时延估计值t1；

i、重复步骤f-h，分别计算出采样序列S₁(n)与S₃(n)、S₄(n)、S₅(n)的时延估计值t2、t3、t4，根据五元十字阵和目标的几何位置关系利用余弦定理计算出飞行目标位置；

j、依据所需拟合精度等间隔依次选取时延窗口，重复上述步骤得到多个目标位置点，将这些点进行最小二乘拟合得到飞行目标的运动曲线。

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