[发明专利]一种声源定位方法

说明书

技术领域

本发明属于声学信号处理领域，涉及分布式传感器定位技术，尤其涉及一种声源定位方法。

背景技术

随着无线传感网络及电子技术的发展，声源定位技术因其成本低，安全性高，隐蔽性高等优点，在军事和民用领域得到了迅速发展，声源定位技术已经从对空中直升飞机、地面车辆和炮弹落点、水面舰船以及水下潜艇等目标定位逐渐延伸到了地震探测、医学成像等民用领域，呈现出越来越大的应用价值。

分布式声源定位技术是用多个传感器按照一定的规则布放，每个传感器对声音信号进行采集，根据采集到的信号利用信号处理算法确定声源的位置。

利用分布式声源定位技术进行定位时，其定位精度除了受到传感器本身的影响，例如传感器节点的不一致、节点布放规则等，还会受到周围环境的影响，例如温度、风等环境因素，其中，对于传感器节点的布放位置的研究已经比较广泛，不同的研究人员基于不同的系统要求提出了不同的布放形状。环境对定位精度的影响主要体现在不同的环境因素如温度、风速对声速的影响。

针对声速对定位性能的影响影响，主要是通过将声速视为未知量与声源位置进行联合估计，或者通过引入辅助设施或利用后处理技术进行修正。这些方法均假设声源到达各个传感器的声速是相同的。但声源以球面波的形式向四周传播，在风场条件下，声源向不同方向传播的速度就会由于风场存在而受到不同程度的影响，造成声源到各个传感器的声速不同。前期的研究之所以一般不考虑此问题，是因为节点布置一般比较集中，或声源位于测试系统的远场，而当传感器与声源均散布在较大区域内时(如数公里范围)，这个问题就凸显出来，成为影响定位性能的关键因素之一。

TDOA定位技术是一种常用的声源定位技术，该方法根据声源到达不同传感器的时间差(TDOA)，得到一组超定非线性方程。通过求解非线性方程组就可以得到估计的声源位置。理论上三个传感器节点就可以定出声源位置，但是由于各种测量误差的存在，仅使用三个传感器节点进行定位得到的结果一般不太理想，通常采用多个传感器按照一定的规则布放在测试区域进行声源的精确定位。

在气象学中，将距离地面50m-100m以下的气层称为近地层，在我们通常的应用中，声信号主要工作在这一层，风速一般为每秒几米至十几米，甚至更大些。风对声信号传播产生的影响主要有两方面：一是风速对实际声速的直接影响，二是风速梯度使声线产生弯曲；通过下面的分析可以看到，由于传感器的分布式部署以及风场的存在，声源到达各个传感器的传播途径上的声速将会不同。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的目的是在传统的声源定位算法的基础上对声源到不同传感器的传播速度进行修正，进而进行精确的声源定位。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种声源定位方法，包括以下步骤：

步骤一：将多个传感器节点布放在测试区域内，获得各个传感器节点的位置坐标；利用风速风向传感器获得测试区域的风场参数，风场参数包括风向和风速；利用温度传感器获得测试区域的当前温度，计算当前温度下的无风时声速；

步骤二：根据待测声源到各个传感器节点的相对位置，计算风速在该方向上的分量，结合当前温度下无风时声速对不同传播方向的声速进行修正；

步骤三：利用步骤二修正后的声速计算待测声源到各传感器节点的传播时间；

步骤四：计算待测声源到达每两个传感器节点的第一时延差，利用信号检测技术测得声源到达对应两个传感器的第二时延差，第一时延差与第二时延差联立方程组，求解方程组，获得声源位置。

所述步骤二中根据待测声源到各个传感器节点的相对位置，计算风速在该方向上分量，对各个传感器节点的声速进行修正，其具体方法如下：

风向θ₀与参考方向x轴的夹角用α₀表示；风速用ν₀表示；当前温度下无风时的声速用c₀表示；待测声源的位置为S(x,y)，各个传感器节点的位置为A_i(x_i,y_i)，其中，i＝1,2,…,N；与参考方向x轴正向的角度为α_i∈[-π,π]；

风速在从待测声源到第i个传感器节点的传播方向上的分量为:v＝ν₀cosθ_i＝ν₀cos(α_i-α₀)；