【线振动阵列的目标定位研究】 麦克风阵列声源定位
摘 要：本文在对线振动阵列定位法进行分析基础上，给出线阵定位的理论公式,最后通过实际测试验证该算法的正确性，指出线振动阵列目标定位的特点。实验结果表明线振动阵列可以对地面振动目标进行有效定位,为进一步研究地面振动目标定位提供了理论基础。
关键词：线振动阵列；定位
1、引言
二维空间中振动阵列定位技术在桥梁监控、仓库监视、环境监测等方面有着广泛的应用。近年来,由于时差测量技术和精度的不断提高,基于到达时间差(Time difference of arrival, TDOA)的目标定位技术成为该领域的热点之一,产生了丰富多样的定位算法。鉴于此,本文对图1所示传感器阵列的定位算法进行研究。
另外，传统意义上的振动探测目标定位，在进行振动的数据测量时,通常因为环境恶劣,各种干扰信号源比较多 ,有时会引起系统的误触发,并且所测量的信号包含有大量的噪音成份，经常会出现误报，使系统无法正常工作。这就要求在了解振动基本特征的基础上,能对阵动信号进行识别,并从所测的振动信号中提取真实的振动信号。振动传感器阵列的振源定位估计，能较准确的将振动源定位，从而方便地判断出哪些振动源对警戒目标有威胁，哪些振动源是干扰。线振动阵列是实现振动传感器阵列的振源定位技术的有效手段，算法简单、估计精度较高，可以对地面振动目标进行有效定位。本文进行了线振动阵列定位的探索研究，推导了线振动阵列对地面振动目标定位公式，通过实验,指出线振动阵列目标定位的特点。为进一步研究利用振动信号对地面目标定位提供了理论基础。
2、振动阵列定位原理
到达时间差（Time Difference Of Arrival, TDOA)定位又称双曲线定位法。基于到达时差的（TDOA）的目标定位方法一般先进行时延估计，获得传感器阵列单元之间的时延，再结合空间几何算法进行定位估计。这类方法计算量小，适用于实时处理。目标定位中应用最广泛的是时延估计法，其基本原理是通过空间布设的传感器阵列，接收目标发出的振动信息，再根据一定的算法估计出目标的空间位置。目标定位算法通过求解一组以各传感器为焦点的双曲线方程(即TDOA方程)获得目标空间坐标的估计。振动传感器阵列选择如下坐标系时，振动定位系统布置如图1所示，其中S表示点振源，M1、M2、 M3分别表示三个阵动传感器。设其阵边长为d,则阵元坐标分别为M1(0,0)、M2(-d,0)、M3(d,0),令tij(1≤i,j≤3)表示振动从振源S到达阵元i与阵元j的时间差即时延,相应的振源S到达阵元i与阵元j的距离差 。假设目标振源是点振源，其坐标为S(x,y )， 振动波沿直线传播,其传播速度是常数v,则有
进而可以得出y的值，即采用此法可以对振动目标的位置进行二维定位。
4、实验结果分析：
对目标定位的估计是以实测得到的步行振动信号作为样本进行分析计算获得的。测试目标为男性成人。测试时情况:无风,气温25℃左右,试验场地为普通的盐碱土地。人以步行速度行走,震源为任意点，得到部分实验结果如下图所示。
由上图结果可见：当d较小，对目标信号进行定位时，效果差，误差大；当d较大时对目标位置的估计误差减小，可见当d较大时能有效地提高目标定位的准确度。虽然经过增大d以后定位效果得到改善，但误差还是比较大，近距离时定位误差最大达到1米。分析原因由于实验场地地质条件不同，振动传播速度不同，导致测得的时间差有误差；另外，由于测量的时间差以时钟采样周期为单位，本身就有误差，还有周围实验环境造成了一定的干扰，使得定位性能有所下降，但在允许范围内。
5、结束语
本文对一种基于TDOA无线定位算法进行了研究和总结,重点研究了基于TDOA的线振动阵列定位算法,实验结果表明二维振动阵列定位算法定位精度较高。随着d不断上升,定位精度随之升高。
事实上,实际的环境是比较复杂的,对于振动探测目标,除了要了解传播介质即地层的土质组成和软硬度,还应知道传感器的灵敏度和探测系统的各通道电子元器件一致性等信息。因此,本文所做的工作只是地面阵动传感器阵列探测系统研究中很微小的一部分,有关振动阵列对地面目标定位的研究还有待今后的更深入研究。
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