[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于空間十元陣的點(diǎn)聲源被動(dòng)聲定位方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310487349.8
• 申請(qǐng)日: 2013-10-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103529428A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋萍;趙海磊;崔林林;武江鵬;郝創(chuàng)博;楊誠(chéng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S5/22
• 分類(lèi)號(hào): G01S5/22
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 11120
• 代理人: 高燕燕;付雷杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于感知和測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于空間十元陣的點(diǎn)聲源被動(dòng)聲定位方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的被動(dòng)聲定位技術(shù)大體上分為三類(lèi)：(1)基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)；(2)基于高分辨率譜估計(jì)技術(shù)；(3)基于到達(dá)時(shí)間差TDOA(Time?Difference?of?Arrival)的定位技術(shù)。相對(duì)于前兩種方法理論復(fù)雜，計(jì)算量大，TDOA技術(shù)具有簡(jiǎn)單實(shí)用、計(jì)算量小等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。

但是，傳統(tǒng)的基于TDOA的被動(dòng)聲定位算法是根據(jù)TDOA的測(cè)量值Δt以及聲波的傳播速度直接計(jì)算出目標(biāo)與兩個(gè)測(cè)量基元之間的聲程差Δr，Δr＝c*Δt。從幾何學(xué)可以知道，二維空間中到空間兩點(diǎn)的聲程差為定值的點(diǎn)的軌跡是雙曲線(xiàn)。所以利用TDOA來(lái)測(cè)量目標(biāo)位置實(shí)際上是求解多個(gè)雙曲線(xiàn)的公共交匯點(diǎn)，因此也稱(chēng)為雙曲線(xiàn)定位法。以往基于TDOA的被動(dòng)聲定位方法，通常用立體四元或者五元基陣估算目標(biāo)相對(duì)于該基陣中心的方位角以及俯仰角θ，然后通過(guò)兩兩基陣的角度信息融合，計(jì)算出聲源的位置。該方法的不足之處在于，當(dāng)聲源與兩基陣處于或接近直線(xiàn)排列時(shí)，無(wú)法進(jìn)行交匯定位或者定位誤差非常大，而且當(dāng)測(cè)試范圍非常大時(shí)，該類(lèi)方法所需要的節(jié)點(diǎn)密度相對(duì)較大，成本很高。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于空間十元陣的點(diǎn)聲源被動(dòng)聲定位方法，本方法通過(guò)分別求出聲源在球坐標(biāo)下的俯仰角、方位角以及極半徑(聲程)，然后將其轉(zhuǎn)化為XYZ直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，能簡(jiǎn)化求解過(guò)程，避免上述因聲源特殊位置而產(chǎn)生的無(wú)法定位或者定位誤差突變的情況，且大范圍定位時(shí)，所需傳感器節(jié)點(diǎn)的密度大大減小，精度得到一定程度提升。

本發(fā)明的一種基于空間十元陣的點(diǎn)聲源被動(dòng)聲定位方法包括：

步驟1，建立XYZ直角坐標(biāo)系，將空間十元陣在所述XYZ直角坐標(biāo)系中按特定位置布設(shè)，其中所述空間十元陣包括中心基陣和外圍基陣，所述中心基陣包含第1節(jié)點(diǎn)、第2節(jié)點(diǎn)、第3節(jié)點(diǎn)、第4節(jié)點(diǎn)和第5節(jié)點(diǎn)，所述外圍基陣包含第0節(jié)點(diǎn)、第6節(jié)點(diǎn)、第7節(jié)點(diǎn)、第8節(jié)點(diǎn)和第9節(jié)點(diǎn)；所述第0節(jié)點(diǎn)位于所述XYZ直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，所述第7節(jié)點(diǎn)、第3節(jié)點(diǎn)、第5節(jié)點(diǎn)、第9節(jié)點(diǎn)位于X軸，所述第8節(jié)點(diǎn)、第4節(jié)點(diǎn)、第2節(jié)點(diǎn)、第6節(jié)點(diǎn)位于Y軸，所述第1節(jié)點(diǎn)位于Z軸；

其中，除第1節(jié)點(diǎn)外的另外9個(gè)節(jié)點(diǎn)處于同一水平面，且所述第1節(jié)點(diǎn)高度高于該水平面，設(shè)其高度為H；

所述第2節(jié)點(diǎn)、第3節(jié)點(diǎn)、第4節(jié)點(diǎn)、第5節(jié)點(diǎn)與第0節(jié)點(diǎn)的距離相同，該距離設(shè)為R₁，并稱(chēng)該R₁為所述中心基陣的孔徑；

所述第6節(jié)點(diǎn)、第7節(jié)點(diǎn)、第8節(jié)點(diǎn)、第9節(jié)點(diǎn)與第0節(jié)點(diǎn)的距離相同，該距離設(shè)為R₂，并稱(chēng)該R₂為所述外圍基陣的孔徑；

步驟2，點(diǎn)聲源P(x，y，z)發(fā)出聲波，該聲波觸發(fā)所述空間十元陣的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將其相應(yīng)的觸發(fā)時(shí)刻通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)綔y(cè)控終端，所述觸發(fā)時(shí)刻是所述點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波傳遞到節(jié)點(diǎn)時(shí)的時(shí)刻；

其中，P(x，y，z)為所述點(diǎn)聲源在所述XYZ直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以所述XYZ直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為原點(diǎn)，建立球坐標(biāo)系，其中俯仰角θ為有向線(xiàn)段OP與Z軸正向所夾的角，方位角為有向線(xiàn)段OP在坐標(biāo)平面XOY的投影與X軸正向之間的所夾的角，OP之間的距離為極半徑(聲程)L；

步驟3，所述測(cè)控終端根據(jù)所述中心基陣的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)時(shí)刻計(jì)算第2節(jié)點(diǎn)、第3節(jié)點(diǎn)、第4節(jié)點(diǎn)和第5節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第1節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間差τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁、τ₅₁，其中τ_ij＝t_i-t_j，i＝2、3、4、5；j＝1，t_i和t_j分別為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)時(shí)刻；

所述測(cè)控終端根據(jù)所述外圍基陣的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)時(shí)刻計(jì)算第6節(jié)點(diǎn)、第7節(jié)點(diǎn)、第8節(jié)點(diǎn)和第9節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第0節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間差τ₆₀、τ₇₀、τ₈₀、τ₉₀，其中τ_ij＝t_i-t_j，i＝6、7、8、9；j＝0，t_i和t_j分別為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)時(shí)刻；