一种基于多源信号功率强度的目标定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多源信号功率强度的目标定位方法，传感节点可以以任意方式部署，在已知传感节点位置的情况下，基于多个声源节点，中继节点(中心节点)使用到达信号功率强度定位算法可以对声源进行定位，可快速定位传感节点覆盖范围内的目标。该方法可应用于战场环境的声探测无线传感器网络。采用该方法的声探测无线传感网络，对传感节点的部署方式和时间同步没有明确的要求，可快速定位发出声源目标，适用于复杂环境条件战场的快速机动侦察布防。该方法还可应用于通过无人机载、车载、人工等任意抛撒部署的侦察或警戒场景，实现高隐蔽实时感知目标情况。蔽实时感知目标情况。蔽实时感知目标情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多源信号功率强度的目标定位方法


[0001]本专利技术涉及目标定位
，特别是涉及一种基于多源信号功率强度的目标定位方法。

技术介绍

[0002]声源定位顾名思义指的就是定位声源的位置，最常见的便是我们人耳的声源定位。而在实际中，可以利用多个麦克风(麦克风阵列)在测量不同位置点对声源进行测量，而由于声信号到达不同麦克风的时间有不同程度的延迟(也被称为时延)，利用算法对测量得到的声信号进行处理，由此获得声源点相对于麦克风的到达方向(包括方位角，俯仰角)和距离等。
[0003]对于采用声源定位的目标定位技术，大致可以分为三类：到达时差定位(Time Difference of Arrival,TDOA)、到达方向定位(Direction of Arrival,DOA)以及到达信号强度定位(Received Signal Strength,RSS)。前两者需要精确的时间同步和较高的计算能力，不适用于低成本、低功耗的无线传感器网络。
[0004]申请号201510024050.8的专利文献记载了“完全分布式无线传感网中鲁棒性多声源定位方法”，该专利技术包括以下步骤：首先构造完全分布式的无线传感器网络；然后建立含混合噪声的声源信号模型；在此基础上采用EM算法的E步完成传感器检测信号总能量的分解；针对每个节点利用M估计完成声源位置的估计；最后利用鲁棒性均值一致性算法对每个节点所得的估计值进行融合以得声源位置的全局估计值，进一步提高定位精度。但是，上述技术方案存在以下不足：
[0005]1、由于使用分布式算法，一个感知节点要同时与多个邻居感知节点进行通信，还需要承担计算功能，对于大量布设感知节点的无线传感网络而言，成本较高；
[0006]2、由于每个节点都需要对K个声源位置进行定位，然后在中继节点还需要对多个估计的声源节点使用鲁棒一致性算法进行定位优化，将优化的目标重新分发到感知节点，不适用对时间延时要求较高的网络。

技术实现思路

[0007]鉴于上述问题，本专利技术提供用于克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于多源信号功率强度的目标定位方法。
[0008]本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种基于多源信号功率强度的目标定位方法，应用于中继节点，所述中继节点连接有若干感知节点，所述感知节点包括声探测传感器用于获取声源的能量检测值；所述方法包括：
[0010]接收若干所述感知节点发送的若干目标能量检测值；所述目标能量检测值为通过所述感知节点对目标声源发出的声音信号高频采样获得；
[0011]利用若干所述能量检测值构建含噪声的声音信号能量衰减模型；所述声音信号能
量衰减模型包括所述目标声源的信号能量值以及各个所述感知节点距离所述目标声源的欧式距离；
[0012]将所述信号能量值作为缺失值结合各个所述感知节点的位置信息使用EM迭代算法求解获得所述目标声源的声源位置信息。
[0013]优选地：所述声音信号能量衰减模型由下式表示：
[0014][0015]式中：y
i
(t)为感知节点i在时刻t下检测到信号的能量检测值，y
si
(t)为第i个感知节点所接收到的不含噪声的声音信号能量，ε
i
(t)表示背景噪声，g
i
表示传感器i的增益，S
k
(t)为第k个声源的信号能量值，表示第i个传感器(i＝1,2,
…
N)和第k个声源(k＝1,2,
…
K)之间的欧式距离。
[0016]优选地：当样本点M远大于30个时ε
i
(t)～N(μ,σ2)，
[0017]其中，为零均值加性白高斯噪声方差，M为第i个感知节点所接收到的声音信号的样本点数量。
[0018]优选地：利用若干所述能量检测值构建含噪声的声音信号能量衰减模型；包括：
[0019]根据所述声音信号能量衰减模型构建非线性最小二乘代价函数，所述非线性最小二乘代价函数由下式表示：
[0020][0021]式中：参数ρ
k
为第k个声源的声源位置信息；
[0022][0023]y
i
表示第i个感知节点检测到信号的能量检测值，μ
i
和σ
i
分别表示噪声分布的均值和标准差；
[0024][0025][0026]S＝[S
1 S2ꢀ…ꢀ
S
k
ꢀ…
S
K
]T
[0027]g
i
表示传感器i的增益。
[0028]优选地：将所述信号能量值作为缺失值结合各个所述感知节点的位置信息使用EM迭代算法求解获得所述目标声源的声源位置信息，包括：
[0029]将第k个声源的信号能量值S
k
视为缺失值，根据第k个声源对应的能量分布的最高峰所在的感知节点位置，初始化声源位置中r表示迭代次数；
[0030]利用当前的声源位置参数值计算S的后验概率作为其估计值根据计算寻找使似然函数最大时对应的参数一直迭代直到收敛。
[0031]优选地：参数满足和得到以下关系：
[0032]S＝(GD)
+
Z
[0033][0034]其中，(
·
)
+
表示矩阵的广义逆矩阵，
[0035]根据初始化得到的根据声音信号能量衰减模型，得到声源能量S和声源位置的联合概率分布得到似然函数得到似然函数
[0036]极大化得到重复执行直到迭代收敛。
[0037]优选地：所述感知节点还用于在没有声音目标进入时，各传感知节点以低采样频率进行监测。
[0038]优选地：所述感知节点还用于通过查找能量分布的峰值数量来确定声源数量K。
[0039]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0040]本申请实施例提供的一种基于多源信号功率强度的目标定位方法，传感节点可以以任意方式部署，在已知传感节点位置的情况下，基于多个声源节点，中继节点(中心节点)使用到达信号功率强度定位算法可以对声源进行定位，可快速定位传感节点覆盖范围内的目标。
[0041]该方法可应用于战场环境的声探测无线传感器网络。由于战场常见声源信号均为宽带信号，能量主要集中在低频段，在200Hz及以下均有明显的线谱，采用该方法的声探测无线传感网络，对传感节点的部署方式和时间同步没有明确的要求，可快速定位发出声源目标，适用于复杂环境条件战场的快速机动侦察布防。该方法还可应用于通过无人机载、车载、人工等任意抛撒部署的侦察或警戒场景，实现高隐蔽实时感知目标情况。
[0042]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0043]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多源信号功率强度的目标定位方法，其特征在于，应用于中继节点，所述中继节点连接有若干感知节点，所述感知节点包括声探测传感器用于获取声源的能量检测值；所述方法包括：接收若干所述感知节点发送的若干目标能量检测值；所述目标能量检测值为通过所述感知节点对目标声源发出的声音信号高频采样获得；利用若干所述能量检测值构建含噪声的声音信号能量衰减模型；所述声音信号能量衰减模型包括所述目标声源的信号能量值以及各个所述感知节点距离所述目标声源的欧式距离；将所述信号能量值作为缺失值结合各个所述感知节点的位置信息使用EM迭代算法求解获得所述目标声源的声源位置信息。2.根据权利要求1所述的基于多源信号功率强度的目标定位方法，其特征在于，所述声音信号能量衰减模型由下式表示：式中：y
i
(t)为感知节点i在时刻t下检测到信号的能量检测值，y
si
(t)为第i个感知节点所接收到的不含噪声的声音信号能量，ε
i
(t)表示背景噪声，g
i
表示传感器i的增益，S
k
(t)为第k个声源的信号能量值，表示第i个传感器(i＝1,2,
…
N)和第k个声源(k＝1,2,
…
K)之间的欧式距离。3.根据权利要求2所述的基于多源信号功率强度的目标定位方法，其特征在于，当样本点M远大于30个时ε
i
(t)～N(μ,σ2)，其中，为零均值加性白高斯噪声方差，M为第i个感知节点所接收到的声音信号的样本点数量。4.根据权利要求1所述的基于多源信号功率强度的目标定位方法，其特征在于，利用若干所述能量检测值构建含噪声的所述声音信号能量衰减模型；包括：根据所述声音信号能量衰减模型构建非线性最小二乘代价函数，所述非线性最小二乘代价函数由下式表示：l(θ)＝‖Z
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瀚铭，秦有宝，范波，刘永杰，李君妍，
申请(专利权)人：中国兵器装备集团自动化研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：