劉延善，王會康，萬 眾，李大海

（1.中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015；2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局，北京 100015）

關(guān)鍵字：組網(wǎng)聲探測；聲定位；區(qū)域搜索

0 引言

隨著微電子技術(shù)和微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）傳感器技術(shù)日益成熟，低成本集成的聲感知節(jié)點技術(shù)應(yīng)用日漸增多，基于MEMS 傳聲器組網(wǎng)融合的探測技術(shù)應(yīng)用也日漸增多。無線聲感知網(wǎng)絡(luò)通常由特定區(qū)域多個聲傳感器進行組網(wǎng)，通過對特定時間和位置的目標(biāo)的聲信號處理來實現(xiàn)定位。民用上的應(yīng)用主要涉及手機和音響等多媒體設(shè)備的聲定位[1]、交通車輛監(jiān)測跟蹤[2]、危險動物的檢測預(yù)警以及對關(guān)鍵聲事件的探測等[3-4]。

聲定位方法按測量參數(shù)可以分為基于到達時間（Time of Arrival，TOA）的方法、基于到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）參數(shù)的方法以及基于到達角（Direction of Arrival，DOA）參數(shù)的方法。基于DOA 的方法通常需要在單個測量節(jié)點集成傳聲器陣列和天線等，陣列數(shù)據(jù)傳輸壓力較大且設(shè)備工藝和造價要求較高。基于TOA 或TDOA的方法需要多個節(jié)點精確授時、大范圍組網(wǎng)并傳輸原始信號，這帶來了很大的設(shè)備供電功耗，對于現(xiàn)實工程來說不切實際。實際應(yīng)用時，以上方法均需要對數(shù)據(jù)的原始波形進行高采樣率采集甚至回傳原始數(shù)據(jù)，這給分布式融合系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來巨大的數(shù)據(jù)傳輸壓力，也帶來極高的能源消耗。

傳統(tǒng)上，無線聲感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳聲器應(yīng)密集地分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并且在距離目標(biāo)較近時才能實現(xiàn)對聲目標(biāo)的識別和定位。因此，無線聲感知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)進行分組，每個組包含多個傳聲器。然而，當(dāng)目標(biāo)事件發(fā)生時，其聲能量僅引起距離其較近節(jié)點觸發(fā)探測事件，而距離較遠的節(jié)點因聲能量不足而無法觸發(fā)探測事件。理論上應(yīng)將原始聲信號進行同步授時后回傳，通過對回傳的數(shù)據(jù)進行處理進行融合定位。但是這需要設(shè)計足夠帶寬傳輸量的傳輸設(shè)備，根據(jù)通信設(shè)計經(jīng)驗，大數(shù)據(jù)量要求足夠的發(fā)射功率，這會給具體技術(shù)實現(xiàn)帶來較大的傳輸壓力和功耗壓力，這樣也無法保證設(shè)備的輕便化設(shè)計，在滿足實際使用需求的同時耗費了大量的通信成本和功耗成本。

因此，可以考慮對聲事件數(shù)據(jù)的短時能量進行估計，由于聲能量隨時間變化緩慢，只統(tǒng)計聲能量的變化可降低設(shè)備的功耗要求。這種設(shè)計理念可以極大地降低系統(tǒng)的設(shè)計要求，在實現(xiàn)分布式融合定位的情況下大大降低限制條件。

1 基于聲能量融合的定位方法

1.1 聲信號衰減模型

無線聲感知網(wǎng)絡(luò)是覆蓋某一區(qū)域的分布式布設(shè)的M個位置ri=[xi,yi](1≤i≤M)的節(jié)點的組合，每個節(jié)點為一個特定的聲傳感器，主要對位置ri附近的聲信號進行采集和處理。

根據(jù)脈沖源的聲壓計算公式，當(dāng)傳感器和聲源距離大于1 m，位置ri處傳感器接收到的信號可以表示為：

式中：ri表示第i個傳感器的位置坐標(biāo)向量，X表示聲源的位置向量X=[x,y]；gi表示聲源信號按距離衰減過程之外附加的一致性系數(shù)，設(shè)備一致性較好時可設(shè)為1；S和ni表示聲源強度和噪聲增益，實際中環(huán)境噪聲通常為白噪聲。

由于實際采集聲信號時是被動接收聲源輻射聲波的形式，無法估計目標(biāo)強度S。在設(shè)備一致性差異較小時可認為gi=gj=1。在實際應(yīng)用時，通常聲源原始信號衰減后到達傳聲器位置的聲信號只有大于噪聲強度時才能被有效檢測。因此，噪聲ni和nj的強度在有效檢測時相比于目標(biāo)信號強度是可以忽略的。在這種情況下，根據(jù)式（1），第i和第j個傳感器接收信號的關(guān)系為：

因此，第i和第j個傳感器接收信號的幅度與聲源與各傳感器位置的間距存在比例對應(yīng)關(guān)系，即：

式（3）可以用于構(gòu)建判斷各搜索位置是否接近聲源位置的估計代價函數(shù)。

1.2 聲能量粗定位方法

根據(jù)1.1 節(jié)的內(nèi)容，信號強度和搜索位置與各傳感器的位置關(guān)系可以作為搜索位置是否接近聲源位置的判斷依據(jù)。但是，實際應(yīng)用時，在無法獲取檢測區(qū)域的先驗條件時，搜索區(qū)域理論上是無限大的。因此，通過適當(dāng)?shù)姆绞降玫侥繕?biāo)的初始搜索范圍，對于加快搜索過程是很必要的。根據(jù)加權(quán)中心法[5]，可以通過接收信號的能量pi和適當(dāng)?shù)募訖?quán)wi求解目標(biāo)位置的粗略位置坐標(biāo)[xwc,ywc]。

式中：wi為各節(jié)點傳感器接收信號的能量幅度。

1.3 搜索方法

對于無線聲感知網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)目標(biāo)被檢測到時，目標(biāo)的信號幅度pi會大于檢測預(yù)設(shè)的閾值Th。通過檢測機制，會先確定幾個目標(biāo)附近的節(jié)點標(biāo)記。通過這幾個節(jié)點的位置信息，可以確定當(dāng)前目標(biāo)可能的搜索區(qū)域邊界，這部分信息可以作為搜索計算的輸入。結(jié)合1.2 節(jié)計算的目標(biāo)位置初值，可以快速確定目標(biāo)的搜索區(qū)域信息。

假設(shè)搜索區(qū)域L可以用邊界4 個頂點的X和Y方向的直角坐標(biāo)確定為[xmin,xmax,ymin,ymax]，初始搜索位置是[xwc,ywc]。假設(shè)第k次迭代更新網(wǎng)格前后的初始搜索位置為[xk,yk]，那么第k-1 次的搜索位置為[xk-1,yk-1]，dk表示第k次迭代的網(wǎng)格間隔，lk表示第k次迭代時搜索區(qū)域的支撐長度。第k次區(qū)域與k?1 次的搜索位置應(yīng)滿足：

在[-lk,lk]之間按dk的間隔進行網(wǎng)格劃分。而網(wǎng)格間隔和區(qū)域支撐長度分別按0.5 的速率進行衰減，即第k次迭代和第k-1 次迭代時，dk=0.5dk-1，lk=0.5lk-1。

除了搜索區(qū)域，搜索位置的代價函數(shù)反映了搜索位置距離目標(biāo)聲源位置的距離大小，距離越近，代價函數(shù)的數(shù)值理應(yīng)越大。根據(jù)式（3）的比例關(guān)系，假設(shè)搜索網(wǎng)格位置的位置向量為Xg=[xg,yg]，可構(gòu)造以下代價函數(shù)：

式中：CFg表示第g個搜索網(wǎng)格位置Xg的代價函數(shù)值，CFg數(shù)值越大，其對應(yīng)的搜索網(wǎng)格位置越能代表實際聲源的位置。

中國南方漢族人群亞甲基四氫葉酸還原酶基因C677T多態(tài)性與腦出血的關(guān)系 …………………………………………………………………… 江東東，盛文利，羅曼 10

1.4 計算實現(xiàn)過程

根據(jù)以上描述，聲源定位的搜索過程可按以下過程實現(xiàn)：

（1）根據(jù)式（4）計算聲源的搜索位置的初值[xwc,ywc]；

（2）按照式（6）計算初值位置的代價函數(shù)值；

（3）按照迭代動態(tài)生成搜索網(wǎng)格；

（4）計算當(dāng)前迭代次數(shù)下最優(yōu)的代價函數(shù)數(shù)值，當(dāng)?shù)蟮淖畲蟠鷥r函數(shù)數(shù)值大于預(yù)設(shè)的數(shù)值Thex或滿足一定的迭代次數(shù)時停止迭代，否則，返回步驟（3）繼續(xù)進行迭代；

（5）輸出最優(yōu)位置[xopt,yopt]。

2 試驗和性能分析

為了更好地評估所提方法的性能，先給出定位性能的評價指標(biāo)計算方法。定位精度可以采取目標(biāo)真值與估計值之間的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）來描述：

式中：K表示蒙特卡洛模擬總次數(shù)，表示目標(biāo)位置估計值，而ri表示目標(biāo)真實位置。

為驗證算法的性能，在如圖1 所示的100 m×100 m 的范圍內(nèi)布設(shè)無線聲感知網(wǎng)絡(luò)，進行測試性能仿真驗證。假設(shè)聲源的聲壓幅度為恒定的94 dB即1 Pa，圖中紅色星號表示聲源位置，藍色圓圈表示傳聲器位置，傳聲器近似均勻地散布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。每個傳感器接收的聲能量根據(jù)式（1）計算獲得。為統(tǒng)計定位精度情況，以式（7）計算各種條件下的RMSE結(jié)果。

圖1 無線聲感知網(wǎng)絡(luò)布設(shè)示意圖

根據(jù)圖1，實際進行計算時，聲源附近的傳聲器是容易被檢測到的，因此假設(shè)M0 表示在進行融合定位時所使用的傳聲器數(shù)目，分別變化數(shù)目并根據(jù)1 000 次的蒙特卡洛模擬實驗統(tǒng)計RMSE計算結(jié)果，結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)圖2 的結(jié)果，參與融合的傳聲器數(shù)目越多，RMSE越小。M0=8 時，由于隨著參與融合的第8 個傳聲器相比于前7 個與聲源的距離更遠，帶來的定位精度偏差更大，因而反映在RMSE上略有增加。

圖2 不同傳聲器數(shù)目M0 時RMSE 結(jié)果變化

進一步地，固定傳聲器數(shù)目，分別變化信號的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR），統(tǒng)計1 000 次蒙特卡洛模擬實驗的計算結(jié)果，結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)圖3 的結(jié)果，信噪比越低，定位結(jié)果RMSE越大，當(dāng)SNR大于20 dB 時，RMSE結(jié)果基本相當(dāng)。這表明，該算法在信噪比超過20 dB 時定位性能較為穩(wěn)定，在20 dB 以下時，定位性能隨之下降。

圖3 不同信噪比條件下的RMSE

3 結(jié)語

為達到分布式定位方法的低功耗要求，本文研究一種基于分布式區(qū)域搜索的聲定位方法。該方法只估計前端各探測位置的短時聲能量，通過短時聲能量計算搜索初值，結(jié)合區(qū)域先驗的位置信息可以對聲目標(biāo)進行搜索定位。仿真結(jié)果表明，在信噪比高于10 dB 時，該方法可以達到6 m 以內(nèi)的RMSE。該方法不需要占用較大的通信傳輸量，對設(shè)備功耗的要求較低，對城市局部環(huán)境的聲監(jiān)測應(yīng)用具有重要的推廣價值。