一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法技术

本发明专利技术提供一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，属于感知和测试技术领域。本发明专利技术的点声源被动声定位方法通过空间十元阵的中心基阵的各个节点计算相应的到达时间差，然后利用该到达时间差计算点声源的俯仰角与方位角；通过空间十元阵的外围基阵的各个节点计算相应的到达时间差，然后利用该到达时间差计算点声源的声程信息；最终根据所得俯仰角、方位角和声程信息计算出点声源的坐标。该点声源被动声定位方法避免了因声源特殊位置而产生的无法定位或者定位误差突变的情况，具有精度高、实用性强的优势。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，属于感知和测试
。本专利技术的点声源被动声定位方法通过空间十元阵的中心基阵的各个节点计算相应的到达时间差，然后利用该到达时间差计算点声源的俯仰角与方位角；通过空间十元阵的外围基阵的各个节点计算相应的到达时间差，然后利用该到达时间差计算点声源的声程信息；最终根据所得俯仰角、方位角和声程信息计算出点声源的坐标。该点声源被动声定位方法避免了因声源特殊位置而产生的无法定位或者定位误差突变的情况，具有精度高、实用性强的优势。【专利说明】
本专利技术属于感知和测试
，尤其涉及。
技术介绍
现有的被动声定位技术大体上分为三类:(I)基于最大输出功率的可控波束形成技术；(2)基于高分辨率谱估计技术；(3)基于到达时间差TDOA(Time Difference ofArrival)的定位技术。相对于前两种方法理论复杂，计算量大，TDOA技术具有简单实用、计算量小等特点，得到广泛应用。但是，传统的基于TDOA的被动声定位算法是根据TDOA的测量值Λ t以及声波的传播速度直接计算出目标与两个测量基元之间的声程差Ar，Ar = c*At。从几何学可以知道，二维空间中到空间两点的声程差为定值的点的轨迹是双曲线。所以利用TDOA来测量目标位置实际上是求解多个双曲线的公共交汇点，因此也称为双曲线定位法。以往基于TDOA的被动声定位方法，通常用立体四元或者五元基阵估算目标相对于该基阵中心的方位角穸以及俯仰角Θ，然后通过两两基阵的角度信息融合，计算出声源的位置。该方法的不足之处在于，当声源与两基阵处于或接近直线排列时，无法进行交汇定位或者定位误差非常大，而且当测试范围非常大时，该类方法所需要的节点密度相对较大，成本很高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供，本方法通过分别求出声源在球坐标下的俯仰角、方位角以及极半径(声程)，然后将其转化为XYZ直角坐标系下的坐标，能简化求解过程，避免上述因声源特殊位置而产生的无法定位或者定位误差突变的情况，且大范围定位时，所需传感器节点的密度大大减小，精度得到一定程度提升。本专利技术的一种基于空间十兀阵的点声源被动声定位方法包括:步骤1，建立XYZ直角坐标系，将空间十元阵在所述XYZ直角坐标系中按特定位置布设，其中所述空间十元阵包括中心基阵和外围基阵，所述中心基阵包含第I节点、第2节点、第3节点、第4节点和第5节点，所述外围基阵包含第O节点、第6节点、第7节点、第8节点和第9节点；所述第O节点位于所述XYZ直角坐标系的坐标原点,所述第7节点、第3节点、第5节点、第9节点位于X轴，所述第8节点、第4节点、第2节点、第6节点位于Y轴，所述第I节点位于Z轴；其中，除第I节点外的另外9个节点处于同一水平面，且所述第I节点高度高于该水平面，设其高度为H;所述第2节点、第3节点、第4节点、第5节点与第O节点的距离相同，该距离设为R1,并称该R1为所述中心基阵的孔径；所述第6节点、第7节点、第8节点、第9节点与第O节点的距离相同，该距离设为R2,并称该R2为所述外围基阵的孔径；步骤2，点声源P(x，y，z)发出声波，该声波触发所述空间十元阵的各个节点，每个节点将其相应的触发时刻通过有线或无线方式传输到测控终端，所述触发时刻是所述点声源发出的声波传递到节点时的时刻；其中，PU，Y, ζ)为所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标，以所述XYZ直角坐标系的坐标原点为原点，建立球坐标系，其中俯仰角Θ为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，方位角P为有向线段OP在坐标平面XOY的投影与X轴正向之间的所夹的角，OP之间的距离为极半径(声程)L;步骤3，所述测控终端根据所述中心基阵的各个节点的触发时刻计算第2节点、第3节点、第4节点和第5节点相对于第I节点的到达时间差τ 21、τ 31、τ 41、τ 51，其中τ =t1-tj, i = 2、3、4、5 ；j = I, ti和tj分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；所述测控终端根据所述外围基阵的各个节点的触发时刻计算第6节点、第7节点、第8节点和第9节点相对于第O节点的到达时间差τ 60> τ 7(|、τ 8(|、τ 9(|，其中τ = t-tj,i = 6、7、8、9 ；j = O, &和&分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；步骤4，根据所述中心基阵的各个节点计算的到达时间差τ21、τ31、τ 41、τ 51，高度差H和中心基阵的孔径R1，利用公式【权利要求】1.一种基于空间十兀阵的点声源被动声定位方法，其特征在于，包括: 步骤1，建立XYZ直角坐标系，将空间十元阵在所述XYZ直角坐标系中按特定位置布设，其中所述空间十元阵包括中心基阵和外围基阵，所述中心基阵包含第I节点、第2节点、第3节点、第4节点和第5节点，所述外围基阵包含第O节点、第6节点、第7节点、第8节点和第9节点；所述第O节点位于所述XYZ直角坐标系的坐标原点，所述第7节点、第3节点、第5节点、第9节点位于X轴，所述第8节点、第4节点、第2节点、第6节点位于Y轴，所述第I节点位于Z轴； 其中，除第I节点外的另外9个节点处于同一水平面，且所述第I节点高度高于该水平面，设其高度为H; 所述第2节点、第3节点、第4节点、第5节点与第O节点的距离相同，该距离设为R1,并称该R1为所述中心基阵的孔径； 所述第6节点、第7节点、第8节点、第9节点与第O节点的距离相同，该距离设为R2,并称该R2为所述外围基阵的孔径； 步骤2，点声源P (X，y，z)发出声波，该声波触发所述空间十元阵的各个节点，每个节点将其相应的触发时刻通过有线或无线方式传输到测控终端，所述触发时刻是所述点声源发出的声波传递到节点时的时刻； 其中，P(x，y, z)为所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标，以所述XYZ直角坐标系的坐标原点为原点，建立球坐标系，其中俯仰角Θ为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，方位角f为有向线段OP在坐标平面XOY的投影与X轴正向之间的所夹的角，OP之间的距离为极半径L ； 步骤3，所述测控终端根据所述中心基阵的各个节点的触发时刻计算第2节点、第3节点、第4节点和第5节点相对于第I节点的到达时间差τ21、τ31、τ 41、τ51，其中Tij =t1-tj, i = 2、3、4、5 ；j = I, ti和tj分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻； 所述测控终端根据所述外围基阵的各个节点的触发时刻计算第6节点、第7节点、第8节点和第9节点相对于第O节点的到达时间差τ 6(|、τ 7(|、τ 8(|、τ 9(|,其中τ = i =.6、7、8、9 ；j = 0，&和&分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻； 步骤4，根据所述中心基阵的各个节点计算的到达时间差τ21、τ31、τ41、τ 51，高度差η和中心基阵的孔径R1,利用公式 2.如权利要求1所述的基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，其特征在于，所述空间十元阵中的节点的位置通过精密定位设备测定，且精度要求小于2cm。【文档编号】G01S5/22GK103529428SQ201310487349【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间十元阵的点声源被动声定位方法，其特征在于，包括：步骤1，建立XYZ直角坐标系，将空间十元阵在所述XYZ直角坐标系中按特定位置布设，其中所述空间十元阵包括中心基阵和外围基阵，所述中心基阵包含第1节点、第2节点、第3节点、第4节点和第5节点，所述外围基阵包含第0节点、第6节点、第7节点、第8节点和第9节点；所述第0节点位于所述XYZ直角坐标系的坐标原点，所述第7节点、第3节点、第5节点、第9节点位于X轴，所述第8节点、第4节点、第2节点、第6节点位于Y轴，所述第1节点位于Z轴；其中，除第1节点外的另外9个节点处于同一水平面，且所述第1节点高度高于该水平面，设其高度为H；所述第2节点、第3节点、第4节点、第5节点与第0节点的距离相同，该距离设为R1，并称该R1为所述中心基阵的孔径；所述第6节点、第7节点、第8节点、第9节点与第0节点的距离相同，该距离设为R2，并称该R2为所述外围基阵的孔径；步骤2，点声源P(x，y，z)发出声波，该声波触发所述空间十元阵的各个节点，每个节点将其相应的触发时刻通过有线或无线方式传输到测控终端，所述触发时刻是所述点声源发出的声波传递到节点时的时刻；其中，P(x，y，z)为所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标，以所述XYZ直角坐标系的坐标原点为原点，建立球坐标系，其中俯仰角θ为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，方位角为有向线段OP在坐标平面XOY的投影与X轴正向之间的所夹的角，OP之间的距离为极半径L；步骤3，所述测控终端根据所述中心基阵的各个节点的触发时刻计算第2节点、第3节点、第4节点和第5节点相对于第1节点的到达时间差τ21、τ31、τ41、τ51，其中τij＝ti?tj，i＝2、3、4、5；j＝1，ti和tj分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；所述测控终端根据所述外围基阵的各个节点的触发时刻计算第6节点、第7节点、第8节点和第9节点相对于第0节点的到达时间差τ60、τ70、τ80、τ90，其中τij＝ti?tj，i＝6、7、8、9；j＝0，ti和tj分别为第i个节点与第j个节点的触发时刻；步骤4，根据所述中心基阵的各个节点计算的到达时间差τ21、τ31、τ41、τ51， 高度差H和中心基阵的孔径R1，利用公式和计算所述点声源P(x，y，z)的俯仰角θ与方位角；根据所述外围基阵的各个节点计算的到达时间差τ60、τ70、τ80、τ90，外围基阵孔径R2和有效声速v，利用公式计算所述点声源P(x，y，z)距离第0节点的声程信息L；步骤5，根据所述俯仰角θ与方位角和声程信息L利用公式z＝Lcos(θ)计算所述点声源在所述XYZ直角坐标系中的坐标P(x，y，z)。FDA0000397243630000011.jpg,FDA0000397243630000021.jpg,FDA0000397243630000022.jpg,FDA0000397243630000027.jpg,FDA0000397243630000023.jpg,FDA0000397243630000024.jpg,FDA0000397243630000025.jpg,FDA0000397243630000026.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋萍，赵海磊，崔林林，武江鹏，郝创博，杨诚，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：