[發明專利]無人值守單個三分量檢波器估計空中聲源方位角的方法

在審

• 申請號: 202210889354.0
• 申請日: 2022-07-20
• 公開（公告）號: CN115291162A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 姜弢;王鑫;李爽;王京椰;王開開;晁云峰;鄭凡
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802;G01V1/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種無人值守單個三分量檢波器估計空中聲源方位角的方法，主要的目標是槍聲、空中爆炸、煙花爆竹等。針對聲震耦合多路徑、聲震耦合波中有效瑞雷波含量少的問題，本發明擬通過利用聲震耦合波的偏振特征和頻域特征檢測瑞雷波進而估計出空中聲源方位信息。首先，根據信號的時頻特征進行時域頻域的預處理，然后求出每個頻帶下的多個特征參數，設定閾值計算權值，再通過非線性權值算法找出最有可能存在瑞雷波的頻帶，最后根據帶通濾波得到的三個分量數據估計出方位角。本發明方法實現了利用單個三分量檢波器就可以估計出空中聲源方位角，提高了無人值守傳感器網絡估計方位角的穩健性，也適合有少點布設需求的場景。

技術領域：

本發明涉及聲震耦合應用領域，特別是涉及一種無人值守單個三分量檢波器估計空中聲源方位角的方法。

背景技術：

無人值守地面傳感器具有全天候監視、不受光線干擾等優點，已廣泛應用在重點區域監視入侵空中聲源。例如，在關鍵結構(邊境線、發電廠、水壩等)以及生命線(電力、天然氣、石油傳輸線等)附近，需要監視空中爆炸物(化學物品)、槍聲等以確保人身安全；在山地、倉庫等存在易燃物品地帶需要全天候監視違規燃放煙花爆竹以此減少火災事故發生。獲取聲源的方位信息(方位角)有利于幫助安保系統快速找到聲源位置，減少生命及財產損失。目前，估計估計空中聲源方位角的主流方法是利用聲傳感器陣列監視(例如對比文獻1(CN201410503647.6))，然而，聲傳感器暴露在外面容易被發現和破壞，且自身也容易受到風雨天氣和環境干擾而導致數據質量差和不可靠。基于聲震耦合原理，地震檢波器能夠感知到空中聲源，地震檢波器相對不易受到惡劣天氣的影響，且布設隱蔽。因此，當聲傳感器不適用時，可以利用地震檢波器代替。

目前主要利用地震檢波器陣列估計空中聲源方位角，通過提取地震檢波器的到時信息，然后根據陣列中到時差與方位角的關系進而推導出方位角。然而，陣列方式有效的前提是陣列中所有檢波器都能提取出到時信息。當聲源較弱時，陣列中較遠處的檢波器由于低信噪比無法被提取出到時信息，這樣使得整個陣列都無法估計出方位角。事實上，地震信號的偏振特性也能反映出目標的方位信息，根據不同震相的傳播特點，單個三分量檢波器理論上能夠估計出空中聲源的方位角，更適合有少點布設需求的場景。

常規利用偏振特征估計地面震源方位角的方法(例如對比文獻2(CN113093093A))無法直接用在空中聲源方位角估計，原因在于地面震源激發的地震波傳播路徑比較明確，各種震相容易區分，容易找到瑞雷波；而空中聲源由于聲震耦合效應，存在復雜多路徑的地震波在地下介質中同時傳播，瑞雷波與多震相混疊在一起，導致數據由于受強干擾而不可靠，采用對比文獻2的方法估計空中聲源方位角的誤差很大，造成估計結果的不可靠。為此應該結合聲震耦合波中的瑞雷波在多個域的特征去檢測瑞雷波，然后再根據瑞雷波的質點運動規律去估計出空中聲源的方位角。

發明內容：

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供一種無人值守單個三分量檢波器估計空中聲源方位角的方法。

本發明的發明思想是，聲震耦合過程中包含少量可用的瑞雷波，以瑞雷波的偏振方向對應聲源方向的特性為依據，同時又考慮到聲震耦合的多路徑效應、環境干擾以及瑞雷波的多階現象，針對低信噪比的問題，利用4個偏振特征和1個頻域特征再基于一個非線性權值方法共同檢測出相對理想的瑞雷波，再通過微積分變換得到三個分量的加速度和速度信號，利用偏振特征與方位角的關系公式估計出方位角。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種無人值守單個三分量檢波器估計空中聲源方位角的方法，包括以下步驟：

a.預處理，原始水平分量信號X、Y和垂直分量信號Z，作出Z的時頻圖，根據實際信號的持續時間以及低頻干擾頻率范圍，初步判斷出瑞雷波所在的大致頻率區間[F₁，F₂]Hz，并要求F₂不大于時頻圖中信號的能量最強的部分對應的頻率；