作者 邵云峰 韩焱 中北大学 信息勘探与处理技能研讨所(山西 太原 030051)
*基金项目 : 国家自然科学基金(编号：60772102);国防要点实验室基金(编号：9140c1204040908);国防要点实验室基金(编号：9140c12040051010)
邵云峰(1990-)，男，硕士，研讨方向：信号处理与定位算法，无线传感器网络微震信息勘探;韩焱，男，教授，研讨方向：信号与信息处理、精密仪器及机械、信息处理与重建等。
摘要：依据地轰动信号的可穿戴式被迫声勘探体系具有体积细巧、便利带着等长处。该研讨选用地上走动信号的方针定位技能规划了鞋底声传感器勘探阵列及其数据收集体系。运用数据收集体系完成了阵列信号的获取、剖析和处理，介绍了方针定位的办法及时延估量办法，并规划了数据的预处理与时延估量的Matlab程序完成，完成了阵列延时的检测，针对时延估量不准确的问题，从体系、算法精度以及频域剖析等方面做了剖析，提出了改善的方向。
导言
在科技飞速前进，信息便是财富的年代，信息的方位日趋重要。军事专家们预言：21世纪的战役将是一场独具匠心的信息战。依据地轰动信号的地上被迫侦查[1]在杂乱的地势条件下，甚至在紧密假装的情况下仍能充分发挥其效果，这正是光学、无线电等现代监督技能的盲区，尤其是被迫声勘探技能[2]。
但在特别情况下，如劲风等恶劣气候或在植被十分旺盛的当地，声的传达特性就会遭到很大影响，致使声勘探体系无法正常作业。因而，研讨依据地上轰动信号[3]的侦查技能具有十分重要的价值。
地轰动信号较其他的被迫侦查信号不同，其信噪比较差，受环境影响较大，但因为地轰动勘探具有可全天候值守、抗电磁搅扰能力强、功耗低、隐蔽性好、本钱低一级长处，作为一种重要的被迫侦查手法，其方位的不行小觑。而依据地轰动信号的可穿戴式被迫声勘探体系因其体积细巧、便利带着，而且可使穿戴者依据情况敏捷做出反响等长处，正日趋遭到广泛的重视。
1 定位原理与传感器布设
1.1 定位原理
声源方位与传感器的平面散布图如图1，声源定位的根本原理是：传感器阵列中每个传感器距声源的间隔是不一样的，因而，声源发出声响后，传感器阵列中每个传感器收集到的信号会存在时刻差，此时刻差乘以声响在介质中的传达速度可求出间隔差，5个传感器中每3个传感器能够确认出2个间隔差，据此咱们能够列方程算出声源的坐标，完成声源的定位。
1.2 传感器布设
为了完成全方位信号勘探，在鞋底上布设5个传感器，前脚掌布设4个传感器，呈菱形散布(前脚掌每个传感器之间相距5cm)，后脚掌布设一个传感器，距前脚掌最终面的那个传感器间隔为12cm，并对传感器编号，如图2所示。
2 方针定位与时延估量办法
现在，方针定位办法首要分为有源定位和无源定位[4]。有源定位便是运用雷达、激光等有源设备来对方针进行定位，但其存在简略露出、能耗较高的坏处。无源定位是经过对方针本身发生的辐射源信号的接纳和处理，提取方针的间隔、方位、航迹等信息。无源定位克服了有源定位的缺陷。本规划的方向是选用经过多地轰动传感器完成方针定位的办法，归于无源定位办法。
现在，无源定位算法中方针定位[5-8]办法首要有依据抵达时刻(TOA)、抵达时刻差(TDOA)和接纳信号强度或能量(RSSI)法。TOA技能算法简略，可是要求移动方针和节点一直准确同步，易受多径传达和噪声的搅扰。RSSI技能较简略，近间隔精度高，受环境影响较大，室外远间隔定位精度较差。
时延估量[9-10]是数字信号处理中一个十分活泼的研讨范畴。在雷达、语音信号处理、地球勘探等范畴都有较广泛的运用。
直接互相关算法核算简略，要求信号、噪声互不相关;广义互相关相当于对信号进行了白化处理，按捺噪声当信噪比较低时差错较大;互双谱算法对布景噪声不灵敏，能够按捺空间噪声，不适合非高斯造声的景象，且信号序列要满足长，核算量和估量方差较大。
直接互相关时延估量是经过对两信号直接做互相关处理，然后进行峰值检测来估量时延。广义互相关时延估量与根本互相关类似，但其在小信噪比时，按平方加权;在大信噪比时，按信噪比加权。相当于对信号进行了白化处理，必定程度上按捺了噪声。
3 信号处理
3.1 信号预处理
收集获取的传感器信号混有很多的噪声，因而需对其进行预处理。本规划依据中值滤波器优秀的按捺噪声的特色，首要对收集到的信号进行中值滤波处理，以便滤除毛刺。
中值滤波之后，为了便于数据处理，需求截取出收集到信号的有用部分，经过调查收集到的信号可知，有用信号的幅值远大于噪声的幅值。由正态散布的性质可知，假如X遵守正态散布，则：
其间，
指的是正态散布的均值，
指的是正态散布的规范差，因而咱们取数据的均值加3倍的规范差的值作为阈值，据此截取出信号的有用部分。
3.2 直接相关法时延估量
表1是用直接相关法算出的时延。接下来咱们依据坐标方位，算出理论上每两个传感器到声源的间隔差，用此间隔差除以估量出的时延，求出速度，图4是用估量出的时延算出的理论速度，将其与声速进行比较，发现咱们用估量出的时延算出的速度和声速相差太大，形成这种成果的原因或许是因为信号之间相关性较强，致使估量出的时延不准确。因而，咱们选用广义相关算法估量时延。
3.3 用广义互相关算法估量时延
在这里运用PHAT加权进行时延估量。表2是咱们用PHAT加权估量出的时延值，图5是用依据估量出的时延算出的理论速度，将其与声速进行比较，发现算出的10个速度值中有5个和声速在一个数量级上。调查图形可判别出，运用算法估量出的时延值要比直接互相关估量出的时延值准确，10个速度值中有5个与声速不在一个数量级上，形成这种成果的原因或许是在丈量坐标点方位时人为形成的差错，也有或许是因为多径效应形成的。
4 成果剖析
对截取后的数据进行频谱剖析，其幅频特性曲线如图6所示，从图中能够看出信号频率成分较为杂乱，形成这种成果的原因或许是多径效应[11]的影响。从图中能够看出信号频率首要会集在两个频段：970Hz~1600Hz，3330Hz~3880Hz，假定需求的信号是一个单频成分，那么就需求对信号在整个频段上进行窄带滤波，回来时域看其波形并进行分频时延估量，从中找出咱们需求的信号，并进行后续剖析。
用信号发生器对音箱输入1kHz，20V峰峰值的正弦信号，将音箱放到点(-5m,0)坐标点上，采样频率为225kHz，图7是收集到其间一个通道信号的时域波形，图8是其幅频特性曲线图。结合上述三张图能够看出收集到的信号并不是一个频率单一的规范正弦波，图9和图10是对其幅频特性曲线中强度(50Hz左右，1950Hz左右)最大的两个搅扰的扩大图，这两个搅扰和1kHz信号的强度相差一个数量级，不能被疏忽，形成这种成果的原因或许是因为多径效应引起的，也有或许是环境中的交流搅扰形成的，因而需求进一步对数据进行处理。
经过比照图6和图8可发现，咱们收集到的信号遭到的搅扰要比收集一个单频声响信号遭到的搅扰多，从图6咱们能够看出强度最大的两个峰值分别是45dB和50dB，图9和图10分别是对两个峰值取下降15dB部分的扩大图，从图中能够看出，第一个峰值处衰减15dB后，频段会集在1250Hz~1450Hz，第二个峰值处衰减15dB后频段会集在3250Hz~3650Hz，编一个FIR模仿带通滤波器对以上两个频段进行滤波，图11和图12分别是对两个频段作带通滤波后的时域波形。和图3进行比照后，发现第二个峰值衰减15dB的部分比第一个峰值衰减15dB的部分与需求的信号的类似度高，阐明第二个峰值衰减15dB的部分中所含的信号的有用部分比第一个峰值衰减15dB的部分包括的多。
5 定论
本研讨是在被迫声定位技能被广泛运用到军事及民用中，成为定位技能范畴的研讨热门布景下打开的，首要是针对被迫声定位技能中的方针定位办法和时延估量算法进行了研讨。完成了信号的预处理的相关程序规划，对信号进行了中值滤波，截取出了信号的有用部分，便利信号的后续处理;完成了时延估量算法的程序完成，对成果进行了剖析，提出了改善的方向。还有以下几方面需求改善：对时延估量算法的进一步优化进行程序完成;针对算法核算不准确的问题，应对信号分频段估量时延，从中找出需求的信号，然后完成较准确地时延估量。
参考文献：
[1]陈立学,鱼云岐.地上侦查与准确冲击[J]. 兵工学报,2010,S2:79-82.
[2]马春庭,高萍.地上战场侦查传感器体系的开展情况及技能剖析[J].军器工程学院学报,2003(4).
[3]聂伟荣.多传感器勘探与操控网络技能——地上运动方针轰动信号勘探与辨认[D].南京理工大学,2002.
[4]范志平,邓平,刘林.蜂窝网无线定位[M].北京:电子工业出版社,2002
[5]雷文英,陈伯孝,杨明磊,等.依据TOA和TDOA的三维无源方针定位办法[J].体系工程与电子技能,2014,05:816-823.
[6]张驰.依据无线传感器网络的无源方针定位盯梢仿真研讨[D].北京邮电大学,2013.
[7]王小雪.依据无线传感器网络的无源被迫式方针定位研讨[D].浙江工业大学,2013.
[8]单复兴.方针无源定位与盯梢算法研讨[D].国防科学技能大学,2005.
[9]李雪梅,欢然,王越.时延估量技能研讨[J]. 雷达科学与技能,2010,(04):362-371.
[10]行鸿彦,唐娟.时延估量办法的剖析[J]. 声学技能,2008,01:110-114.
[11]崔玮玮,曹志刚,魏建强.声源定位中的时延估量技能[J].数据收集与处理,2007,22(1):90-95.
本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第29页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
