專利名稱：基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及到控制和信號處理、微電子計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡技術(shù)與傳感器技術(shù)尤其是屬于低空目標監(jiān)視、目標無源定位技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外研究麥克風陣和無源定位技術(shù)的文獻主要集中在單陣定位方法本身，及在語音增強、盲源聲學信號分離和噪聲源和機器人定位方面的應用。直接將多個麥克風陣聯(lián)網(wǎng)，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合，并用于低空目標定位、監(jiān)視的技術(shù)尚未見報導。如居太亮等，“基于任意麥克風陣列的聲源二維DOA估計算法研究”(通信學報，2005年8期)，主要對基于單麥克風陣列的聲源定位技術(shù)進行了研究；杜江等，“智能麥克風陣列語音分離和說話人跟蹤技術(shù)研究”(電子學報，2005年2期)，主要介紹一種新的基于麥克風陣列的語音分離和說話人跟蹤技術(shù)。該技術(shù)使用麥克風陣列，形成一個指向感興趣說話人的波束來增強信號，并通過方向置零來抑制其他說話人的聲音和噪聲，同時用自適應算法跟蹤說話人的方位變化。國內(nèi)目前有人提出了采用第二代GSM、窄帶CDMA和第三代寬帶CDMA移動通信網(wǎng)移動站低空目標定位方案，該方案將基站天線作適當?shù)母脑?，具有一定的可行性。但該方案將面臨基站覆蓋僅僅在人口密集和發(fā)達地區(qū)，人煙稀少和邊遠地區(qū)無信號可用的問題；而且對非合作目標將無能為力，不能起到安全防范的作用。也有人提出飛機裝載GPS的應答機，用地空數(shù)據(jù)鏈監(jiān)視地空空域的方案。此方案一方面受制于應答機的高成本，私人用小飛機無法使用的問題；而且同樣存在對非合作目標監(jiān)視無能為力的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用聲學無源定位、多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)聯(lián)網(wǎng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，提出一種低空目標監(jiān)視方法，試圖解決人煙稀少和邊遠地區(qū)空域監(jiān)視盲區(qū)的問題又能克服上述方案的缺陷，使與之相關的監(jiān)視系統(tǒng)一起具有隱蔽性好、抗毀性高、成本低、架設安裝方便，對保證通用航空器安全和本國領空安全，以及軍事偵察活動有一定的作用。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視方法的技術(shù)方案。具體方案是這樣的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是通過由合理布局的麥克風陣，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(MSDF)、多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)構(gòu)架成的低空目標監(jiān)測網(wǎng)，先由多個傳感器(如麥克風、偶極子等)以空間陣的方式組成單個麥克風陣后，使陣中每個麥克風接收空中飛行器震動空氣輻射的聲波信號，再經(jīng)過一個自適應處理器處理，采用波束形成算法或空間譜估計算法，使自適應波束形成器采用方向控制延遲線，通過改變方向控制延遲的延遲量，讓主波束在360度范圍內(nèi)進行逐點掃描來捕獲目標測量并輸出數(shù)據(jù)，估計出目標的波達方向(DOA)，利用多個這樣的自適應處理器疊加起來構(gòu)成自適應傳感器陣，使多個麥克風陣的經(jīng)過多個自適應傳感器陣處理獲得的多目標波達方向(DOA)信息，再經(jīng)過多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)送至多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(MSDF)進行信息融合處理，提取目標的航跡信息；一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，用麥克風陣進行目標空間三維坐標的位置估計中，可以用單個麥克風陣估計目標波達方向(DOA)，然后用相鄰的二個、三個或多個陣組成一個陣列組采用交叉定位法估計目標點跡、航跡；一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，采用自適應處理器和數(shù)據(jù)疊加可以利用基于數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)嵌入式處理系統(tǒng)來完成；數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成的嵌入式處理系統(tǒng)進行自適應波束形成或空間譜估計時可以采用Frost算法或MUSIC算法估計；一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法其特征具有，多個麥克風陣的信號輸出是通過多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)至多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(MSDF)進行定位和數(shù)據(jù)融合處理；所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征具有，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(MSDF)中的計算機系統(tǒng)進行信息融合處理主要對多目標數(shù)據(jù)進行自動檢測、關聯(lián)、估計、綜合等多級多方面的處理，最后輸出多目標的點跡和航跡信息供低空目標監(jiān)視系統(tǒng)使用；所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征還具有，所述的多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)也可以與移動通信網(wǎng)、其它多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)、地面主干網(wǎng)等其它網(wǎng)絡互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享和大范圍空域低空目標態(tài)勢顯示。
采用本發(fā)明提出的利用多麥克風陣聯(lián)網(wǎng)、多傳感器數(shù)據(jù)融合方案不僅能實現(xiàn)上述目的而且由于利用多麥克風陣聯(lián)網(wǎng)增加了系統(tǒng)的可靠性、抗毀性。多麥克風陣數(shù)據(jù)融合提高了目標定位精度和覆蓋范圍，從另一個角度講可以降低對多麥克風陣指標的要求，降低了多麥克風陣的實現(xiàn)難度。從長遠看，通過利用多麥克風陣聯(lián)網(wǎng)、多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)、多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)構(gòu)架成的低空目標監(jiān)測網(wǎng)，不僅用于低空空域監(jiān)視，而且對融入我國國防防空、指揮系統(tǒng)以及野外戰(zhàn)場作戰(zhàn)也將起一定的補充作用。
四

圖1本發(fā)明所說的自適應陣原理示意圖；圖2本發(fā)明所說的工作原理示意圖；圖3本發(fā)明所說的目標波達方向DOA估計的麥克風陣實施例示意圖；圖4本發(fā)明所說的實施例中非自適應陣和自適應陣的幅值方向?qū)Ρ葓D；五具體實施方式
通過圖1、圖2可以看出 本發(fā)明實施例中是將多個高靈敏度麥克風如麥克風1、麥克風2直至麥克風n作為傳感器以空間陣的方式安置或由多個麥克風按面陣或線陣方式排列。每個傳感器的輸出不是簡單相加，用增加等效天線孔徑、提高空間角度分辨力的做法，而是經(jīng)過一個自適應處理器處理后再疊加起來構(gòu)成自適應傳感器陣，簡稱自適應陣。自適應陣中每個麥克風接收到的空中聲信號轉(zhuǎn)化成電信號，送到由數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成的嵌入式處理系統(tǒng)，進行自適應波束形成即由波束形成器將多個陣元采集到的信號進行加權(quán)處理，使原來的主瓣對準特定方向，加強目標信號并削弱其方向信號或進行空間譜估計，使其過程中采用波束形成算法，例如Frost算法等或者空間譜估計算法，例如MUSIC算法等；進行目標波達方向(DOA)估計。與普通傳感器陣的方法相比自適應陣的方法具有對目標環(huán)境的自適應能力，即它對目標的運動有自動跟蹤的能力；對環(huán)境噪聲的變化，在一定條件下有自動調(diào)整并加以抑制的能力。在麥克風陣定位低空飛行物的監(jiān)視的具體應用中，采用自適應陣的主要優(yōu)點是它比普通傳感器陣具有更高的角度分辨力。在用麥克風陣進行目標空間三維坐標的位置估計中，可用單個麥克風陣估計目標波達方向(DOA)，然后用相鄰的二個、三個或多個陣組成一個陣列組采用交叉定位法估計目標點跡、航跡；下面的實施例有更具體的說明。多個麥克風陣的多目標波達方向(DOA)信息經(jīng)多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)網(wǎng)傳至由計算機或工作站構(gòu)成的中心處理機進行后端融合處理。后端處理完成兩項工作，一是采用唯方向算法即多站測向交叉定位法確定目標在空間的三維坐標；二是對多目標數(shù)據(jù)進行自動檢測、關聯(lián)、估計、綜合等多級多方面的處理，最后輸出多目標的點跡和航跡信息供低空目標監(jiān)視系統(tǒng)使用。當?shù)孛娣植级鄠€陣列組時，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，本實施例首選多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)網(wǎng)在分區(qū)監(jiān)測中心做數(shù)據(jù)融合。有兩種融合方式可供選擇一是陣列組級用唯方向算法進行目標三坐標定位，并提供的點跡、航跡，經(jīng)AD-Hoc網(wǎng)送中心處理機做多目標數(shù)據(jù)融合處理；另一種方法就是直接將各個麥克風陣估計的目標波達方向(DOA)經(jīng)AD-Hoc網(wǎng)送中心處理機，同時進行目標定位和多目標數(shù)據(jù)融合處理，提取目標的航跡信息。在通常情況下，經(jīng)過多傳感器數(shù)據(jù)融合處理后的結(jié)果能提供比單傳感器系統(tǒng)更高的精度。因此利用合理的麥克風陣布局和適當數(shù)據(jù)融合方法可以在一定程度上彌補被動麥克風陣目標波達方向(DOA)估計覆蓋面小和精度低的不足。需要強調(diào)的是本實施例所說的利用多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)是利用它的無交換中心、自組織、采用無線多跳方式聯(lián)通的網(wǎng)絡構(gòu)架、特別適合人煙稀少和邊遠地區(qū)信息傳遞問題；本(Ad-Hoc)網(wǎng)絡通過網(wǎng)關也可以與現(xiàn)有基礎設施的移動通信網(wǎng)、其它多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)、地面主干網(wǎng)互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享和大范圍空域低空目標態(tài)勢顯示。
圖3圖4是利用地面一個五單元環(huán)形麥克風陣方法探測直升飛機的實施例，該環(huán)形陣直徑為30米、依照上述的方法設置在地面，傳感器是低頻麥克風。當一架直升飛機在麥克風陣探視范圍內(nèi)飛行時，由麥克風記錄下直升飛機葉片旋轉(zhuǎn)輻射的聲波轉(zhuǎn)化成電信號，通過基于數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)嵌入式處理系統(tǒng)處理，分別采用普通的延時求和波束形成器與自適應波束形成器(用Frost自適應算法)的方法，兩個波束形成器采用相同的方向控制延遲。當直升機在空中某一位置固定時，通過改變方向控制延遲量。主波束在360度范圍內(nèi)進行逐點掃描，測量并輸出數(shù)據(jù)，通過多跳分組無線網(wǎng)絡(Ad-Hoc)傳至計算機或工作站構(gòu)成的中心處理機進行位置數(shù)據(jù)融合；其結(jié)果可用圖4的非自適應陣和自適應陣的幅值方向圖對比看出，采用本發(fā)明所說的自適應波束形成器的角度分辨力近似為±2度，最大旁瓣比主瓣低25dB。而采用普通波束形成器，角度分辨力近似為±20度，而且大的旁瓣嚴重干擾目標到達角(DOA)的估計。采用本發(fā)明所說的技術(shù)方案顯示了較好的實施效果，實現(xiàn)了發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是通過由合理布局的麥克風陣，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)MSDF、多跳分組無線網(wǎng)絡Ad-Hoc構(gòu)架成的低空目標監(jiān)測網(wǎng)，先由多個麥克風傳感器以空間陣的方式組成單個麥克風陣后，使陣中每個麥克風接收空中飛行器震動空氣輻射的聲波信號，再經(jīng)過一個自適應處理器處理，采用波束形成算法或空間譜估計算法，使自適應波束形成器采用方向控制延遲線，通過改變方向控制延遲線的延遲量，讓主波束在360度范圍內(nèi)進行逐點掃描來捕獲目標測量并輸出數(shù)據(jù)，估計出目標的波達方向DOA，利用多個這樣的自適應處理器疊加起來構(gòu)成的自適應傳感器陣，使多個麥克風陣經(jīng)過多個自適應傳感器陣處理獲得的多目標波達方向DOA信息，再經(jīng)過多跳分組無線網(wǎng)絡Ad-Hoc傳送至多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)MSDF中的計算機系統(tǒng)進行信息融合處理，提取目標的航跡信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，用麥克風陣進行目標空間三維坐標的位置估計中，可以用單個麥克風陣估計目標波達方向DOA，然后用相鄰的二個、三個或多個陣組成一個陣列組采用交叉定位法估計目標點跡、航跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，自適應處理器處理和數(shù)據(jù)疊加可以利用基于數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA嵌入式處理系統(tǒng)來完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，數(shù)字信號處理器DSP或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA構(gòu)成的嵌入式處理系統(tǒng)進行自適應波束形成或空間譜估計可以采用Frost算法或MUSIC算法估計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，多個麥克風陣的信號輸出是通過多跳分組無線網(wǎng)絡Ad-Hoc傳至多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)MSDF中的計算機系統(tǒng)進行定位和數(shù)據(jù)融合處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)MSDF進行信息融合處理是對多目標數(shù)據(jù)進行自動檢測、關聯(lián)、相關、估計、綜合等多級多方面的處理，最后輸出多目標的點跡和航跡信息供低空目標監(jiān)視系統(tǒng)使用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視的方法，其特征是，所述的多跳分組無線網(wǎng)絡Ad-Hoc也可以與移動通信網(wǎng)、其它多跳分組無線網(wǎng)絡Ad-Hoc、地面主干網(wǎng)等其它網(wǎng)絡互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享和大范圍空域低空目標態(tài)勢顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于麥克風陣聯(lián)網(wǎng)的低空目標監(jiān)視方法，屬低空目標監(jiān)視無源定位技術(shù)領域。針對人煙稀少邊遠地區(qū)空管盲區(qū)及監(jiān)視非合作目標的需要，通過合理布局的麥克風陣，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，多跳分組無線網(wǎng)絡構(gòu)架的低空目標監(jiān)測網(wǎng)，經(jīng)由多個傳感器以空間陣的方式組成單個麥克風陣，使陣中每個麥克風接收飛行器震動空氣輻射的聲波信號，經(jīng)自適應波束處理器，采用波束形成等算法，采用波束控制延遲線，改變方向控制延遲線的延遲量，測出目標的波達方向；利用多個自適應處理器疊加構(gòu)成自適應傳感器陣，使多個麥克風陣經(jīng)多個自適應傳感器陣處理獲得多目標波達方向信息，經(jīng)多跳分組無線網(wǎng)絡至多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進行信息融合，提取目標的航跡信息。
文檔編號G01S5/20GK101034158SQ200710048518
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月25日
發(fā)明者王永德 申請人:四川川大智勝軟件股份有限公司, 四川大學