专利名称：一种基于水下声传感器网络的目标被动定位方法
技术领域：
本发明是一种水下目标被动定位方法，涉及信号处理、应用数学等领域。
背景技术：
无线传感器网络技术(Wireless Sensor Networks, WSN)的发展和微机电技术(micro-electro-mechanical systems, MEMS)的进步大大的促 进了水下无线传感器网络技术的发展，而源目标的定位问题不仅是声信号处理的重要研究内容，而且是水下无线传感器网络的一个重要应用。无线传感器网络是由大量分布在被监测区域内的传感器节点通过自组网形成的网络，已广泛应用于环境监测、健康卫生、灾难预警等方面。声源定位作为水下无线传感器网络的一个重要应用，已被学者广泛研究，其基本原则是水下传感器节点将采集到的数据经过一定处理，向并行拓扑结构中的融合中心(Fusion Center, FC)传输处理结果，融合中心依据各个传感器节点传输的数据融合处理，得出目标的位置估计。依据利用的目标信息不同，可以将定位方法分为基于到达时间的定位(Timeof arrival, T0A)、基于到达时延的定位(Time delay of arrival, TD0A)、基于波达方向的定位(Direction of arrival, D0A)和基于信号强度的定位(Received signalstrength, RSS)。TD0A、T0A需要精确的时间同步，对于水下无线传感器网络而言，由于水声信道带宽和传感器节点能量的限制，精确的时间同步是异常困难的；TD0A和TOA需要检测信号到达时间，这一任务对于被动的目标定位而言仅仅依据目标辐射噪声是困难的，DOA需要接收设备配置测向装置，实现复杂；基于RSS的水下目标定位采集水下声信号能量，与原始数据相比，可以采用较低的采样率获取RSS的数据。发明专利(专利申请号CN200810099378. 6)公开了一种基于RSSI (Receivedsignal strength indicator)的无线传感器网络节点定位方法,利用已知坐标节点(锚节点)与未知坐标节点之间的RSSI信息对，调节对未知节点位置的权重，从而获取节点位置信息。该发明在一定程度上说明了可以利用接收到RSSI (或RSS)信息中包含的距离信息对未知节点的位置(或目标位置)进行估计。发明专利(专利申请号CN200810150500· 8)公开了一种利用无线能量强度进行移动目标定位的方法，该方法利用移动节点(目标)在移动过程中，轮换发射不同能量的信号，以在固定的接收节点处获得不同发射功率或能量下的接收信号强度与距离关系，进而获取大量距离信息进行定位。该发明要求目标配合整个定位系统工作，如煤矿井下人员定位时需要目标(待定位的人员)携带射频信号发射器。因此该发明不适应这种不具有配合能力的目标，如海洋环境中鱼群、海豚等目标定位，普适性不强。发明专利(专利申请号200810118829. 6)公开了一种声源定位的无线测量方法，通过利用在一定区域布放无线声音传感器，在确知各个传感器坐标情况下，依据各个传感器采集到的能量信息(RSS)进行声源定位。汇聚节点选取能量较大的W=3飞个节点参与最终目标定位，将求解问题转换为优化问题，采取最速下降法对目标位置进行搜索，从而实现目标定位。该发明仅仅利用3飞个接收能量较大的传感器节点进行目标定位，没有充分利用无线传感器网络的全部信息；该发明适用于较小规模的无线传感器网络下(节点数目N=6 20)的二维目标定位，实际应用中具有一定局限性。
发明内容
为了克服现有技术不能应用于目标不配合情况下目标定位、适用于小规模无线传感器网络目标定位、不能充分利用无线传感器网络全部信息等方面的不足，本发明提供一种基于水下声传感器网络的水下目标被动定位方法，提高了被动定位目标的精度；在传感器节点数目少及低信噪比环境中，定位鲁棒性好；基于RSS无线传感器网络定位装置实施简单。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤步骤一、随机布放多个声传感器节点(节点数目N > 2)和融合中心形成一种并行
的网络拓扑结构，即水下声传感器网络；步骤二、声传感器节点采集目标辐射噪声数据，求取该节点接收到目标的能量(RSS)，包括以下步骤(I)信号衰减模型第i个传感器节点接收到的信号为4( )1|^ + <^ ) ’ s(n)
表示距离目标Im处的声强，Y i是第i个传感器的接收增益，rs表示目标位置，r,表示第i个传感器位置，rs和!Ti维数为pX I, p=2、3,<w,(w) iV(0，af)，N(x, y)表示均值为x,方差为Y的正态分布，传感器节点位置可以通过自定位算法求解。假设每个传感器观测噪声方差相同，即Of=^rSdi= IrsTi Il是目标与第i个传感器之间的欧几里得距离。假设s(n)与 i(n)相互独立，即E [s (n) Coi (η)] = O, Ε[ ·]表示期望；(2)在步骤⑴建立的信号基础上，传感器节点接收到目标的能量为
Ai =^ir (；0)2]=^ F^rF+￡[^00]
g I L~ls's'
的，即矣其中第一项目故iP是信号能量，第二项
M L 一 ΙΚ-η||IKIl
If 是噪声能量，S，=S2OO 2為=，L是窗函数长度，即采样点数，
L H=oSi- Ti L =
Θ i服从(of,2W/i)的卡方分布，依据中心极限定理，当L >> 30时，Θ (O 2，2。2L)，即近似服从正态分布，假设各个传感器节点接收增益相同，即gi = g2 =…=gN,贝U第i个传感器
节点接收到目标的能量可以表示为&，其中S = S' Xgio(3)步骤⑵得出的第i个传感器节点接收到目标的能量表达式两边减去随机变量Qi的均值ο2，得到第i个传感器节点接收到的目标能量演化式^ =^7f + ^，其，琳)，N f #獅$点纖_勺S*示會糧狐舒誠會離巨阵 E = Ly1, y2, ...yN]；步骤三、各个声传感器节点将求解的能量分别传输至融合中心进行融合处理，依据能量衰减与距目标距离之间关系，利用多个节点获得的大量距离信息对目标进行定位。
所述的融合处理是指每个传感器将计算得到的Ji通过水声信道传输至融合中心，融合中心将目标被动定位问题转化为目标位置的最大似然估计问题，进而利用SDR算法将目标位置的最大似然估计问题转化为凸优化问题，利用凸优化工具箱求解目标位置。融合处理过程中所述的将目标被动定位问题建模为最大似然估计问题的步骤为(I)选取矩阵E中最大能量值对应节点为参考节点I，假设其能量值Sy1，联合第i个传感器节点接收到的目标能量yi(i = 2，3，"·Ν，Ν为传感器节点数目)和参考节点接收到
的目标能量Y1，两式子相除，消去S，得到
权利要求
1.一种基于水下声传感器网络的目标被动定位方法，其特征在于包括下述步骤 步骤一、随机布放多个声传感器节点和融合中心形成一种并行的网络拓扑结构，即水下声传感器网络； 步骤二、声传感器节点采集目标辐射噪声数据，求取该节点接收到目标的能量，包括以下步骤 (1)第i个传感器节点接收到的信号+其中，s(n)表示距离目标Im处的声强，Y i是第i个传感器的接收增益，rs表示目标位置，r,表示第i个传感器位置，叫(X) 所0，《τ/)，每个传感器观测噪声方差相同，S (η)与COi (η)相互独立； (2)传感器节点接收到目标的能量为实际求解过程
全文摘要
本发明提供了一种基于水下声传感器网络的目标被动定位方法，随机布放多个声传感器节点和融合中心形成一种并行的网络拓扑结构，即水下声传感器网络；声传感器节点采集目标辐射噪声数据，求取该节点接收到目标的能量，各个声传感器节点将求解的能量分别传输至融合中心进行融合处理，依据能量衰减与距目标距离之间关系，对目标进行定位。发明提高了被动定位目标的精度；在传感器节点数目少及低信噪比环境中，定位鲁棒性好；基于RSS无线传感器网络定位装置实施简单。
文档编号G01S5/18GK102890265SQ20121028277
公开日2013年1月23日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者王海燕, 闫永胜, 申晓红, 杨伏洲, 何轲, 李保军, 花飞, 李双全, 顾江建, 吕国飞, 陈钊 申请人:西北工业大学