一种单声源目标被动定位方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114252844A(43)申请公布日2022.03.29(21)申请号202111599748.4(22)申请日2021.12.24(71)申请人中北大学地址030051山西省太原市尖草坪区学院路3号(72)发明人李剑孙泽鹏刘晓佳孙袖山王黎明苏新彦(74)专利代理机构中国兵器工业集团公司专利中心11011代理人赵欣(51)Int.Cl.G01S5/22(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称一种单声源目标被动定位方法(57)摘要本发明涉及一种单声源目标被动定位方法，首先将三轴麦克风传感器在空间布置成一定几何形状的阵列，利用大容量的数据采集模块采集目标的声场信息。由于声源发出的声音信号到达每个麦克风的时间不同，利用获取的声达时间差，结合已知的麦克风阵列的空间位置进一步解算出声源的空间位置。本发明通过采用仿生双耳超微基线布站方式，将传感器阵列最小化，能够满足便携式、穿戴式的要求，适用于复杂作战场合；采用群波相位测量的方式，提高小基线条件下时差的测量精度和测量分辨率，提升声源定位精度；采用双基站DOA算法进行远场大区域快速扫描，定位声源所在区域；采用SRP‑PHAT进行近场小区域精细化扫描，实现声源高精度定位，最大程度提升声源定位效率。CN114252844ACN114252844A权利要求书1/2页1.一种单声源目标被动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建超微基线双基站麦克风阵列：麦克风探测阵列由2个基站构成，每个基站采用8个麦克风，呈上下对称分布固定在支架上，每个麦克风到支架中心点的距离都为d；与Z轴同轴的方向上下各设置一个麦克风，另外3个麦克风绕Z轴均布，与Z轴呈45度夹角；S2、通过数据同步采集系统获取双基站麦克风阵列采集的声源信号；S3、采用变分模态分解方法将步骤2采集到的声源信号分别进行频谱稀疏化，自适应分解为多个模态频率分量，取每个麦克风最高频模态分量μn作为后续时差提取的分量；S4、根据每个麦克风最高频模态分量提取每个基站内部高精度时间差信息；S5、根据S4提取的单个基站内部高精度时差信息结合该基站麦克风位置坐标关系，得到每个基站对应的声源方向信息；S6、根据S5得到的每个基站对应的声源方向信息以及麦克风位置坐标，采用交叉联合定位方法，快速得到声源定位区域；S7、假设S6得到的声源所在区域为球形区域，将双基站麦克风阵列组成一个坐标系下的麦克风阵列，对上述球形区域进行精细化扫描定位，利用联合可控响应频率和相位变换算法重建球形区域内对应的声场能量，其中能量最大值的点，即声源的具体位置。2.根据权利要求1所述一种单声源目标被动定位方法，其特征在于，2个基站布设仿人体生理学双耳结构，共同建立在同一坐标系下；安装在肩膀两侧。3.根据权利要求1所述一种单声源目标被动定位方法，其特征在于，S4具体步骤如下：S4.1、对于每个基站，取麦克风节点M1～M8对应最高频模态分量μ1～μ8，并采用长短时窗法提取声源传播至每个麦克风传感器节点的初至波到时信息t1～t8；S4.2、将所有麦克风节点最高频模态分量μ1～μ8进行频率识别，计算其共有频率f0；S4.3、构建窄带滤波器，提取模态分量μ1～μ8中对应f0的频率成分μ1'～μ8'；S4.4、基于相关法计算单周期相位差；将每个基站上位于Z轴的麦克风作为参考节点，计算该基站内其他麦克风相对于参考节点的相位差；S4.5、利用S4.1中初至波到时信息t1～t8和S4.4中提取的相位差信息，消除相位模糊，得到每个基站内其他麦克风相对于参考节点的时间差信息。4.根据权利要求3所述一种单声源目标被动定位方法，其特征在于，设每个基站的参考节点的麦克风M1坐标为(x1,y1,z1)，其它各麦克风坐标为(xn',yn',zn')，声音的传播速度为c＝340m/s。参考节点和各麦克风节点间对应的时间差公式为：τ1n'＝t1‑tn'(2)按照基站中麦克风位置几何关系和波场传播理论，可得修正后的相位差Δφ'1n'对应的时差信息Δτ1n'，应该满足式：2CN114252844A权利要求书2/2页其中，Δφ1n'为参考节点M1和各麦克风节点间相位差，f0为麦克风节点共有的高频信号频率，N为该频率成分周期重复的次数；c为声速，n表示单个基站内的第n个麦克风。5.根据权利要求4所述一种单声源目标被动定位方法，其特征在于，根据S4提取的单个基站内部高精度时差信息Δτ1n'(n'＝2,3,…,8)，结合该基站麦克风位置坐标关系，可得矩阵如下所示：其中，c＝340m/s，麦克风M1坐标为(x1,y1,z1)，麦克风Mn'坐标为(xn',yn',zn')，用最小二乘法解算式(4)，计算得到声源基站1中参考节点M1对应