基于声信号到达时间差的被动式目标定位算法与系统研究

摘要

与雷达等主动监测技术相比，被动式目标检测具有隐蔽性好、功耗和成本低等优势，在国防安全领域得到广泛应用。声阵列是一种典型被动式检测技术，已广泛应用于低空检测战场的车辆、直升飞机以及水中检测潜艇、军舰等军事领域。无线声阵列网络由于具有易于部署、远程监测等优势，是当前的研究热点。本文主要研究无线声阵列网络下的基于信号到达时间差(TDOA)目标定位和通信受限情况下TDOA估计问题。论文的主要贡献总结如下:
　　1.针对完整/非完整信号的TDOA估计问题，本文研究了三种估计算法:基于特征值分解的最大似然加权互相关(EDBML)、压缩采样联合互相关(CSBCC)和优化压缩采样联合互相关(ECSBCC)。EDBML算法面向完整信号，适用于具备强大无线通信能力声阵列节点。针对通信能力受限下的非完整信号，CSBCC算法可以避免非完整信号重构的误差传递，直接完成TDOA估计。然后进一步研究了优化后的ECSBCC算法。仿真结果表明，在完整信号下EDBML算法能够高精度的TDOA估计;CSBCC和ECSBCC算法均可以胜任非完整信号的TDOA估计，ECSBCC算法精度有显著提升。
　　2.针对基于TDOA的单/多目标定位问题，本文研究了三种定位算法:基于圆心定位的最小二乘算法(CCB-LSE)、基于圆心定位的全局最小二乘算法(CCB-TLSE)和基于感知概率的多目标定位算法(SPBML)。首次利用同心圆半径差，推导出单目标定位解析解——CCB-LSE算法，降低了计算复杂度。进一步，为了消除TDOA估计偏差引起的观测矩阵噪声，研究了改进的CCB-TLSE算法。利用感知概率和关联阈值，研究了SPBML算法，克服了多目标定位中TDOA量测与目标的混淆对应关系问题。仿真结果表明，CCB-LSE和CCB-TLSE均可以实现高精度目标定位，CCB-TLSE的定位精度接近CRLB下限;SPBML算法在低算法复杂度下高概率的剔除鬼点，识别真实目标。
　　3.为了验证上述算法的可行性与可靠性，本文自主设计开发了一套面向目标定位的无线声阵列系统。系统由多个基于八层PCB板的声阵列节点、汇聚节点、目标声源和一个具有强大运算能力的融合中心组成，具备完整/非完整信号两种工作模式。各个声阵列节点运行良好，系统能在实际场景中正常工作，表明按照设计搭建的声阵列定位系统能够在所设计的体系下正常工作。经过两种工作模式下系列的声目标TDOA估计与定位实验，表明完整信号下的EDBML算法和非完整信号模式下的ECSBCC算法达到了期望水平;多目标下SPBML算法的定位结果达到预期要求。

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缩写、符号清单、术语表

第一章 绪论

1．1 声阵列网络研究背景及意义

1．2 被动式声阵列定位工作原理

1．3 国内外研究现状

1．3．1 声阵列网络定位技术现状

1．3．2 TDOA估计

1．3．3 TDOA定位

1．3．4 声阵列节点

1．4 本文的创新点和组织结构

第二章 基于声阵列的定位技术介绍

2．1 引言

2．2 TDOA估计算法

2．2．1 最小均方自适应滤波(LMS)法

2．2．2 广义互相关函数(GCC)法

2．3 基于TDOA的定位算法

2．3．1 迭代法

2．3．2 半定规划法

2．4 本章小节

第三章 完整／非完整信号的TDOA估计技术研究

3．1 引言

3．2 基于特征值分解的加权互相关TDOA估计

3．2．1 基于特征值分解的最大似然加权互相关(Eigenvalue Decomposition Based Maximum Likehood，EDBML)

3．3 基于压缩采样的TDOA估计

3．3．1 压缩采样理论

3．3．2 压缩采样联合互相关(Compressive Sensing Based Cross Correlation，CSBCC)

3．3．3 优化压缩采样联合互相关(Enhanced Compressive Sensing Based Cross Correlation，ECSBCC)

3．4 仿真分析

3．4．1 原始信号EDBML性能仿真

3．4．2 压缩采样信号EDBML性能仿真

3．4．3 采样信号CSBCC性能仿真

3．4．4 采样信号CSBCC和ECSBCC性能对比

3．5 本章小节

第四章 基于圆心定位的估计算法研究

4．1 引言

4．2 基于TDOA的单目标定位

4．2．1 单目标定位问题描述

4．2．2 基于圆心定位的最小二乘估计(CCB-LSE)

4．2．3 基于圆心定位的全局最小二乘估计(CCB-TLSE)

4．2．4 基于圆心定位的最大似然估计(CCB-MLE)及其克拉美罗下界(CRLB)

4．3 基于TDOA的多目标定位

4．3．1 多目标定位问题描述

4．3．2 基于穷举法的多目标定位

4．3．3 基于感知概率的多目标定位(SPBML)

4．4 仿真分析

4．4．1 TDOA单目标定位仿真分析

4．4．2 TDOA多目标定位仿真分析

4．5 本章小节

第五章 基于TDOA的声阵列定位系统设计

5．1 引言

5．2 系统基本架构

5．3 系统硬件设计

5．3．1 声阵列节点原理图设计

5．3．2 声阵列节点PCB设计

5．3．3 汇聚节点设计

5．4 系统软件设计

5．5 系统实验验证

5．5．1 完整信号定位实验

5．5．2 非完整信号定位实验

5．5．3 实验效果对比分析

5．6 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 研究展望

参考文献

作者在硕士期间发表的学术论文及参与科研项目