分布式传感器网络中到达时间差的确定制造技术

目标定位系统，包括处于不同位置的传感器设备，每个设备能够探测来自目标的信号，以及控制装置，响应于传感器设备的输出，用于重复选择设备的子集并确定子集的设备接收到信号的时刻相对于彼此被延迟的量，从而能够进行目标当前位置的计算。每个传感器设备可在主模式和从模式两种模式间切换，在主模式下，设备可操作用于传送来自目标的信号得到的事件，在从模式下，设备响应于来自另一个传感器设备的这种事件，用于处理其自身的信号以便于确定各个设备中传感器的信号接收之间的时间延迟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用以确定多个信号之间的相对时间延迟的方法和设备，更具体且不具排它性地应用于一种分布式无源传感器网络，该网络设计用于通过探测宽带信号间的延迟来探测和定位非协同的声学能量源。
技术介绍
很多环境中需要探测、识别、定位和跟踪某些指定监视区域中的一个或多个非协同的关注目标。这种任务可通过适当的有源或无源传感器来执行，这些传感器能够通过对由目标反射和发射的信号进行协同处理提取有用的信息。相比于使用有源传感器的应用，例如雷达或有源声纳，其中关注监视区域被询问能量波形照射以获得目标的后向散射回波，无源传感器仅仅捕获目标产生的信号(或者来自单独信号源的目标感应信号)。例如，人、轮式或履带式车辆、快艇或振动机械的移动都会产生宽带的声学信号，其可被用于目标的探测、定位和跟踪。如后文将详细讲述的，其中目标的检测和定位是有用的一个实例是通过分布式声学传感器网络形成“声学栅栏”进行安全监视。当关注目标，例如车辆，已被检测并定位时，估算的目标位置能由安全摄像机利用以用于瞄准和缩放，以便提高记录图像的质量。这样的系统可被安装用于工业环境中的监视目的，例如，跟踪移动障碍，或为重要的基础设施提供增强的连续监视，包括电力网络、发电厂、油气管线和水系统。另一个应用是海岸警卫或沿海监视，其中通过使用声学传感器的浮标和提供传感器间通信链路的低功率无线电收发机构成的网络，来探测和定位目标快艇和其他水面船只。除上述的监视和侦察应用外，在多媒体应用中分布式麦克风网络能够增强音频信号以提高清晰度，及用于摄像机瞄准提示。当声源和传感器之间的距离较大时，波传播的方向在每个传感器上是近似相同的(远场条件)，且在传感器网络中传播的场是由平面波组成的。对于远场信源，传感器坐标系统中只有到达方向(DOA)可通过不同位置的传感器捕获的信号的相对延迟来直接估算。该相对延迟通常被称为到达时间差，或简写为TDOA。到达方向(DOA)的测量限制信源在估算的DOA中沿一直线的位置。当多个DOA的测量由多个空间分散的传感器同时进行时，三角测量的方法可被用于在这些方位线的交叉处确定信源的位置。当声源距离传感器较近时(近场条件)，所接收信号的波前相对于传感器网络的空间范围可察觉到是弯曲的。在这种情况下，各传感器上的传播方向矢量从公共信源位置中发射，以及所有TDOA测量的集合可被用于近场信源的定位。使用TDOA测量用于确定近场信源位置的适宜算法已被本领域的技术人员所了解。不考虑远/近场信源条件，信源位置的测定通常来源于TDOA的估算，该估算需要从传感器捕获的宽带声学信号中获得。在分布式传感器网络中，任意两个传感器将捕获同一目标产生的信号s(t)经过衰减和时移的复制信号，x1(t)和x2(t)，有x1(t)＝A1s(t)+n1(t)x2(t)＝A2s(t-Δt)+n2(t)其中A1和A2表示各信号的幅值，Δt表示TDOA；波形n1(t)和n2(t)代表背景噪声和其他干扰。到达时间差的值Δt通常通过对传感器捕获的宽带信号x1(t)和x2(t)进行交叉相关运算确定，也就是执行运算R12(τ)=1T∫0Tx1(t-τ)x2(t)dt]]>在持续时间T的观测区间上、并对于关注目标的TDOA值的-|Δtmax|＜τ＜|Δtmax|范围进行积分求值。使交叉相关函数R12(τ)取最大值的自变量τ的值为未知的TDOA提供估算。实际上，先于交叉相关，接收到的信号可以经过合适的预先滤波以为使得信噪比(SNR)最高而增强频率，并削弱背景噪声，从而增大产生的整体SNR。使用信号预先滤波的交叉相关器在现有技术中被视为通用交叉相关器。如果使用信号的充分采样和量化，则交叉相关方法，包括预先滤波，也能以数字方式实现。附图1是一个对信号及其时延复制信号进行交叉相关操作以确定TDOA值的已知系统框图。各信号x1(t)和x2(t)被传送到相应的滤波器102、104。经过滤波的信号x1(t)通过一个可变延迟线106传递到乘法器108的一个输入，乘法器的另一个输入接收经过滤波形式的信号x2(t)。乘法器108的输出在有限时间积分器内110被积分。峰值探测器112探测积分器110的输出中的峰值。该峰值的位置表示两个信号x1(t)和x2(t)之间的延迟时间。由于其最高频率分量和最低频率分量的比值相对较大，因此目标产生的声学信号被分类为宽带信号。例如，对于音频范围，30Hz到15kHz，该比值为500。对于轮式和履带式车辆，支配频率分量的范围可从约20Hz到2kHz，导致比值为100。由关注目标发射的声学信号不仅占用较宽的频率范围，而且它们也表现出具有可辨认的间歇瞬态的非固定且无序的本质。结果，许多已知的交叉相关技术都明显或不明显地基于信号固定和噪声高斯分布的假设，这些技术只有有限的实际应用。此外，大部分的应用实现不得不处理离散时间的采样，因此在连续时间架构中执行的优化程序和性能分析不是完全适用的。因此有必要通过比其他现有技术更为有效的方式，提供一种方法和设备用以确定到达时间差(TDOA)。
技术实现思路
本专利技术的各个方面在附属的权利要求中被陈述。根据本专利技术的另一个方面，由关注目标发射且由多个空间分散的无源传感器捕获的宽带信号被共同处理，首先探测目标，随后获得关于一个选定的传感器的到达时间差(TDOA)的多重测量。然后，例如通过使用本领域技术人员所了解的数个算法中的一种，TDOA的多重测量被用于目标的定位。一个控制设备响应于传感器产生的信号，用于根据其中哪些传感器接收相对较强的信号来重复选择不同的传感器子集，目标的位置由选定的传感器子集提供的信号确定。根据本专利技术的另一方面，每个均结合了感测装置(例如声换能器)的多个传感器单元或设备(至少2个，优选更多)被放置在不同的物理位置，用于探测和定位目标，其中一个设备可被操作用于向其他一个或多个设备发送信号，使其能够计算所述传感器设备从目标接收到信号的时刻与其他传感器设备接收到信号时刻之间的延迟。在优选的实施方案中，各传感器设备能够在两种模式之间选择性地切换，一种模式中该设备基于所接收的来自另一传感器设备的信号确定时间延迟，在另一种不同的模式中该设备向其他设备发送信号。此设置在结合上述特征时是特别有利的，籍此不同的传感器子集可被选择用于目标的定位；被选择用于发送其信号的传感器设备将(至少)依赖于被选定的子集(和其他可能因素，例如子集中传感器所接收信号的相对强度)。根据本专利技术的另一方面，使用在此处被称为“相征(crosslation)”的技术计算到达时间差(TDOA)。这是公开于WO-A-00/39643的用于时间差测量目的和公开于欧洲专利申请号02254612.1题为“Signal Statistics Determination(信号统计确定)”的用于分析目的的技术。这两项申请的内容在此处合并列为参考。用于此处的术语“相征”意指一种技术，由此发生在一个信号中预先定义的(至少优选本质上为非周期性的)事件被用于定义第二个信号的交叠片段，并将这些交叠片段的表述进行组合。第一个和第二个信号实际上可以是同一个信号，这种情况下产生的组合表述将提供关于该信号统计属性的信息，特别是在预先定义的事件前后该信号的平均行为。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含位于不同位置的４个或更多传感器的目标跟踪系统，每个传感器能够探测来自目标的信号，以及控制装置，所述控制装置响应于传感器的输出，用于重复选择传感器子集并确定子集中传感器接收到信号的时刻相对于彼此被延迟的量，从而能够进行目标当前位置的计算。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WJ索诺夫斯基，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]