论文部分内容阅读
摘 要：本文简要介绍了基于到达时间差（TDOA）的振源定位原理，首次提出了等腰直角三角形振动阵列法定位问题，详细推导了等腰直角三角形定位公式,最后通过实际测试验证该算法的正确性并对误差进行了分析。实验结果表明等腰直角三角形阵列可以对地面振动目标进行有效定位。该算法计算量小、定位估计精度较高。该方法不仅适用于近距离定位，同样也适用于中遠距离定位。
关键词：等腰直角三角形；振动阵列；定位
1、引言
无论是桥梁监控、仓库监视、环境监测，还是在军事上对哨位监视、战场探测及人迹罕至恶劣条件的边远地区的边境巡逻，地面探测是不可或缺的一维。由于监控目标的多样性、密集性、低可观测性、对抗措施的先进性越来越明显，要求系统在复杂的地形、地物条件下甚至是严密伪装的情况下仍能充分发挥其作用，而这正是光学探测、图像探测和雷达探测等现代侦查探测技术的盲区。
传统意义上的振动探测探测系统，由于不可避免的周围环境干扰，经常出现误报，使系统无法正常工作。基于振动传感器阵列的地音检测技术应运而生，地振动信号的特征提取与目标识别[4]；振动传感器阵列的振源定位技术[1]；振动传感器阵列的数据融合技术等将成为是未来振动探测的发展方向。特别是振动传感器阵列的振源定位估计，能较准确的将振动源定位，从而方便地判断出哪些振动源对警戒目标有威胁，哪些振动源是干扰。人们对振源定位的研究较少，多数是基于麦克风阵列的声源定位研究，文献[6]是基于五元十字阵的定位研究；文献[7]则研究了圆阵的定位等。文献[1]研究了正三角振动传感器阵列的定位，但该算法只研究了远场的定位问题。
本文进行了等腰直角三角形阵列定位的探索研究，推导了等腰直角三角形阵列对地面振动目标定位公式，通过实验验证了其正确性,该定位方法算法简单、估计精度较高。为进一步研究地面目标定位提供了理论基础。
2、振动阵列定位原理
到达时间差（Time Difference Of Arrival, TODA)定位又称双曲线定位法。这种方法主要是通过处理三个或更多个传感器所采集信号的到达时间差来对振源进行定位。在二维平面内，振源信号至两测量点的到达时间差，确定了一条以两个测量点为焦点的双曲线，两测量点为基线。而双曲线上任一点到两焦点的距离差为定值。如果利用三个点形成两条双曲线，那么两条双曲线的交点，就是振动源的位置(不含高度信息)。
振动传感器按等腰直角三角形排列时，完成的定位称为等腰直角三角形阵列定位。振动定位系统布置如图1所示，其中S表示点振源，M1、M2、 M3分别表示三个振动传感器。设其阵元坐标分别为M1(0,0)、M2(d,0)、M3(0,d),令tij (1≤i,j≤3)表示振动从振源S到达阵元i与阵元j的时间差即时延,相应的振源S到达阵元i与阵元j的距离差 。假设目标振源是点振源其坐标为S(x,y ) 振动是以振源为中心的圆，其传播速度受地质条件的影响，当传播距离较近时，可认为是常数v,则有
方程组中的每个方程都是双曲线的一支,其交点就是目标点。
4、实验及结果分析：
试验条件及方法：在温度26℃左右,试验场地为普通的盐碱土地，振源为男性成人走动。在此环境下，取V=140m/s，抽样率为1k，τ12、τ13的分辨率为1ms。人以步行速度从三角形外沿直线行走,振源为任意点。时延估计方法：利用采样序列X(n)测量到达不同传感器的最大幅值时的时延。将估计结果、振动传播速度、孔径d代入定位公式，进行目标定位计算。d=1m，d=5m时，得到实验结果如下表所示。
定位实验结果图
由上表结果可见：利用d较小时对目标信号定位，效果差，误差大，当d较大时对目标位置的估计误差明显减小，可见当d较大时能有效地提高目标定位的精度。但是虽然经过增大d以后定位效果得到改善，但误差还是比较大，近距离时定位误差最大达到1米。分析原因由于实验场地地质条件不同，振动传播速度不同；时间差的测量有误差；再者，由于测量的时间差以采样周期为单位，本身就有误差，探测通道的不一致性，还有周围实验环境的干扰等，使得定位性能有所下降，但在允许范围内。
5、结束语
等腰直角三角形阵列对振动目标定位方法，较常见的线性阵列、正三角形阵列、四边形阵列定位具有算法简洁、定位精度较高的优点。本定位方法适合于单一振源或背景干扰较弱场合的近场和中远场定位。该方法对于声源定位有借鉴意义。
参考文献
[1]郅熙彪等 正三角震动阵列对地面目标定位研究。探测与控制学报。2006，08（4）：27-29
关键词：等腰直角三角形；振动阵列；定位
1、引言
无论是桥梁监控、仓库监视、环境监测，还是在军事上对哨位监视、战场探测及人迹罕至恶劣条件的边远地区的边境巡逻，地面探测是不可或缺的一维。由于监控目标的多样性、密集性、低可观测性、对抗措施的先进性越来越明显，要求系统在复杂的地形、地物条件下甚至是严密伪装的情况下仍能充分发挥其作用，而这正是光学探测、图像探测和雷达探测等现代侦查探测技术的盲区。
传统意义上的振动探测探测系统，由于不可避免的周围环境干扰，经常出现误报，使系统无法正常工作。基于振动传感器阵列的地音检测技术应运而生，地振动信号的特征提取与目标识别[4]；振动传感器阵列的振源定位技术[1]；振动传感器阵列的数据融合技术等将成为是未来振动探测的发展方向。特别是振动传感器阵列的振源定位估计，能较准确的将振动源定位，从而方便地判断出哪些振动源对警戒目标有威胁，哪些振动源是干扰。人们对振源定位的研究较少，多数是基于麦克风阵列的声源定位研究，文献[6]是基于五元十字阵的定位研究；文献[7]则研究了圆阵的定位等。文献[1]研究了正三角振动传感器阵列的定位，但该算法只研究了远场的定位问题。
本文进行了等腰直角三角形阵列定位的探索研究，推导了等腰直角三角形阵列对地面振动目标定位公式，通过实验验证了其正确性,该定位方法算法简单、估计精度较高。为进一步研究地面目标定位提供了理论基础。
2、振动阵列定位原理
到达时间差（Time Difference Of Arrival, TODA)定位又称双曲线定位法。这种方法主要是通过处理三个或更多个传感器所采集信号的到达时间差来对振源进行定位。在二维平面内，振源信号至两测量点的到达时间差，确定了一条以两个测量点为焦点的双曲线，两测量点为基线。而双曲线上任一点到两焦点的距离差为定值。如果利用三个点形成两条双曲线，那么两条双曲线的交点，就是振动源的位置(不含高度信息)。
振动传感器按等腰直角三角形排列时，完成的定位称为等腰直角三角形阵列定位。振动定位系统布置如图1所示，其中S表示点振源，M1、M2、 M3分别表示三个振动传感器。设其阵元坐标分别为M1(0,0)、M2(d,0)、M3(0,d),令tij (1≤i,j≤3)表示振动从振源S到达阵元i与阵元j的时间差即时延,相应的振源S到达阵元i与阵元j的距离差 。假设目标振源是点振源其坐标为S(x,y ) 振动是以振源为中心的圆，其传播速度受地质条件的影响，当传播距离较近时，可认为是常数v,则有
方程组中的每个方程都是双曲线的一支,其交点就是目标点。
4、实验及结果分析：
试验条件及方法：在温度26℃左右,试验场地为普通的盐碱土地，振源为男性成人走动。在此环境下，取V=140m/s，抽样率为1k，τ12、τ13的分辨率为1ms。人以步行速度从三角形外沿直线行走,振源为任意点。时延估计方法：利用采样序列X(n)测量到达不同传感器的最大幅值时的时延。将估计结果、振动传播速度、孔径d代入定位公式，进行目标定位计算。d=1m，d=5m时，得到实验结果如下表所示。
定位实验结果图
由上表结果可见：利用d较小时对目标信号定位，效果差，误差大，当d较大时对目标位置的估计误差明显减小，可见当d较大时能有效地提高目标定位的精度。但是虽然经过增大d以后定位效果得到改善，但误差还是比较大，近距离时定位误差最大达到1米。分析原因由于实验场地地质条件不同，振动传播速度不同；时间差的测量有误差；再者，由于测量的时间差以采样周期为单位，本身就有误差，探测通道的不一致性，还有周围实验环境的干扰等，使得定位性能有所下降，但在允许范围内。
5、结束语
等腰直角三角形阵列对振动目标定位方法，较常见的线性阵列、正三角形阵列、四边形阵列定位具有算法简洁、定位精度较高的优点。本定位方法适合于单一振源或背景干扰较弱场合的近场和中远场定位。该方法对于声源定位有借鉴意义。
参考文献
[1]郅熙彪等 正三角震动阵列对地面目标定位研究。探测与控制学报。2006，08（4）：27-29