无线传感器网络中四元无线声阵列节点选择及目标定位算法

低成本、小型化的无线声传感器网络（WASN）的每个节点只配备一个麦克风而非麦克风阵列,针对随机抛撒的WASN区域外声源目标定位问题,依据声压衰减模型和几何定位机制,提出了四节点无线声阵列声源定位算法。在此基础上分析了声音衰减系数和阵列形状对定位精度的影响,进而选择以Y型阵列作为感知模型,当Y型阵列的中轴线与目标声源的夹角为60°~100°时,定位误差小于1 m.依据仿真结果提出节点选择算法并进行了Y型阵列目标定位实验,结果表明,Y型无线声传感器阵列满足对无线传感器网络（WSN）抛撒区域外50 m处目标的预警需求。

基于四元数MUSIC算法的声矢量传感器阵列二维波达角估计

利用声矢量传感器导向矢量和四元数之间的相似性,推导并建立了以四元数形式表示的导向矢量,给出了声矢量传感器阵的四元数模型,理论分析了导向矢量与噪声子空间的正交性,在此基础上提出了基于四元数MUSIC空间谱的二维波达角估计方法。仿真实验表明,四元数MUSIC算法的分辨力要优于矢量MUSIC算法,在低信噪比下具有较高的DOA估计精度,验证了四元数的正交性优势,同时本文方法不局限于L线阵和面阵,对其他阵型也具有普遍适用性。

基于无线声阵列传感器网络的实时多目标跟踪平台设计及实验

介绍了一套自主开发和实现的无线声阵列传感器网络多目标跟踪平台。在相关的多目标跟踪技术的基础上,结合无线声阵列传感器网络的特点,对系统平台的工作流程进行了整体设计并实现了相关算法模块,并在该平台下进行了多目标跟踪实验。实验中利用随机部署在实验区域中的多个声阵列传感器实现了对多个目标实时跟踪,同时还根据实验数据的分析建立了多目标下声阵列传感器的量测模型,并展示了平台下多目标跟踪实验的总体效果及各支撑模块的性能分析。实验表明该平台的设计达到预期要求,是无线声阵列传感器网络在多目标跟踪领域的前沿研究和实践。

四元数在均匀圆形矢量传感器阵列信号参数估计中的应用

四元数的四维超复数结构是一种正交结构,各矢量传感器分量保持其固有的正交性,从而提高了矢量传感器阵列的抗干扰能力以及分辨力。在均匀圆形矢量阵列信号的参量估计中引入四元数理论,建立基于四元素的电磁矢量传感器阵列信号接收模型。充分利用四元数的多维正交特性,结合四元数矩阵理论及已有算法对电磁矢量传感器阵列信号的波达方向和极化信息进行联合估计,仿真实验验证了方法的有效性。并与传统的基于长矢量的MUSIC算法(V-MUSIC算法)进行比较,结果表明,基于四元素的信号接收模型可显著提高信号参数的估计精度。

基于声表面波谐振器和延迟线的编码型无源无线阵列传感器

提出了一种新型延迟编码式谐振声表面波无源无线传感系统。该传感单元由单端口谐振器和延迟线组成 ,激励信号采用间歇正弦脉冲串信号。响应为一变化的振荡波形 ,该信号的频率与声表面波器件固有频率相等。该传感阵列系统利用不同延迟线构成编码器不仅有谐振式无源无线传感器距离远的优点 ,而且 ,还具有延迟型大规模编码的优势。该方法提高了传感系统遥感测量的距离、灵敏度和信噪比 。

基于声表面波延迟线和谐振器的无源无线阵列传感器

本文介绍了延迟线型无源无线声表面波传感器的结构、传感器系统的组成、工作原理和传输特性。在分析延迟线型无源无线声表面波传感器缺点的基础上,提出了一种全新的谐振延迟型无源无线声表面波传感器的模型,并用延迟线和谐振器构造了这种传感器。它既有谐振型传感器传感距离远的优点,又有延迟线型传感器容易编码的优势。本文还分析了该传感器的信号响应特性和传感器系统的构造。

具有声定位功能的无线传感器网络节点设计

介绍一种具有声定位功能的无线传感器网络节点,可以实时测量目标节点的方位和距离。对目标方位的估计基于四元十字阵列的时延估计法,对目标距离的估计采用TDOA机理的测距原理。实验测试表明,整个系统在空闲状态下的电流不大于20μA,在15 m的范围内,距离误差小于3%,方位角误差则随着采样率或阵元间距的增大而减小。

用于声矢量阵列波达方向估计的四元数最小范数法

由于四元数MUSIC(Multiple Signal Classification)算法计算量较大,本文结合声矢量传感器的四元数导向矢量模型,提出了一种声矢量阵列波达方向估计的四元数最小范数法。首先,将声矢量阵列输出协方差矩阵奇异值分解所得到的(M-N)×M维(M为阵元数、N为信源数)噪声子空间依最小范数(Minimum-Norm,MN)准则构建为一个新的四元数域1×M维噪声矢量。接着,提出了简化的谱峰搜索公式,理论分析了四元数最小范数法在搜索计算量上的优势。对提出的算法与Q-MUSIC算法进行了对比。结果显示:该算法至少能节省50%的谱峰搜索量。同时,提出的算法构建的低维噪声矢量与导向矢量间的正交性优于高维噪声子空间与导向矢量间的正交性,在0dB时,其范德蒙范数和谱峰分别为Q-MUSIC算法的1/3和3倍。另外,该算法在减小谱峰搜索量的同时,可以较好地分辨信源波达方向,且其统计特性与四元数MUSIC算法相当。提出的算法不局限于L线阵,也适用于双平行线阵及面阵。

基于任意声矢量传感器阵列的角度和频率估计算法

提出了一种基于任意声矢量传感器阵列下联合角度和频率估计新方法。将矢量传感器阵输出的信号进行建模分析表明此信号具有平行因子四线性模型特征。利用四线性分解的唯一性条件,从分解得到的矩阵中联合估计出声源的参数。该算法首先应用平行因子四线性分解算法估计出频率矩阵和方位矩阵,然后根据频率矩阵和方位矩阵的结构特点及最小二乘方法进行声源参数的计算。该方法与传统算法相比,无需多维谱峰搜索及参数配对,并具有更高的估计精度,在工程上有一定的应用价值。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

四元声阵列声速修正模型研究

提出了一种四元声阵列声速修正模型,通过计算声传播时延求出的风速在目标与探测系统连线方向上分解,获得有效风速,然后再与特定温度下的理想声速结合,最终获得修正声速,解决了声被动探测系统采用恒定不变的声信号速度所带来的定距精度下降的缺陷。对声速模型进行了相应的实验,试验结果表明:该模型简单实用,计算效率高,尤其对温度变化剧烈和风速很大的天气,其定距精度提高明显。

声矢量阵列波达方向估计的四元数空间稀疏分解

针对稀疏分解(sparse decomposition)类算法在恢复矢量阵列信号时收敛速度慢的问题,本文将稀疏分解理论推广到四元数空间,提出了一种声矢量阵列波达方向估计的四元数正交匹配追踪算法。首先,建立声矢量阵列的四元数模型,然后将方向矢量矩阵在四元数空间展开作为冗余字典,最后利用正交匹配追踪算法恢复原始信号得到目标方位信息。实验结果表明:在四元数空间建立的冗余字典强化了声矢量传感器各输出分量间正交性,与长矢量模型即在复数域的冗余字典相比恢复性能更好。具体表现为:冗余字典原子长度降为长矢量方法的1/3,并有效去除长矢量方法在DOA估计角度真值附近1°范围内的偏差。仿真结果验证了算法的有效性。

基于正四棱锥形六元声阵列被动定位的研究

声音无线传感器网络节点利用到达时间差(TDOA)原理进行声音目标定位,提出了一种正四棱锥形六元声音阵列定位模型。推导出了目标空间定位计算公式,应用广义互相关算法对时延进行估计。同时对模型误差进行了分析。最后通过仿真实验,可以对目标进行有效定位,定位误差小。

煤矿声发射监测中传感器阵列的布置

在声发射监测过程中,传感器的空间布置是影响声源定位不准的关键之一。根据矿区监测特点,从传感器空间布置进行讨论,即开采的区域是动态的,也就要求被监测的区域是动态的变化的,为了在不改变原有传感器阵列基础上,通过增加少量传感器的方法,提高定位的精度,提出了动静结合的传感器布置策略,同时为弥补以往传感器布置不容易监测较小声源信号的特点,通过与无线传感网络相结合,形成传感器阵列的方法,提高监测的精度,到达预测的效果。

柔性阵列式声表面波微力传感器的研究

主要研究柔性阵列式声表面波微力传感器,进行两个金属或者非金属物体以及其间若干局部弹性介质接触面(厚度在1~5mm)间接触微压力(0.0~0.2N)的检测,根据基片结构所受应力变化使用有限元分析法进行受力分析,同时设计柔性阵列式传感器基片,确定边界条件,建立其线性回归数学模型并进行曲线拟合。该器件能够在特殊测量环境下满足力敏原件自由弯曲的特性,并且能够在恶劣环境下进行无源无线通信,在测量压力时具有抗干扰能力强、精度高且分辨率高的特性,可广泛应用于接触式测量、无损检测、机器人及生物力学等领域。

基于无线传感器网络的超声波定位节点设计

针对目前无线传感器网络中节点定位实验中精确度不高的问题,提出了一种定位系统中超声波六元阵列传感器节点的硬件设计方案,主要利用超声波在空气中传输的物理特性,采用40 k Hz超声波来设计系统节点的硬件结构和收发传感器阵列及节点微控制器,通过对传感器节点硬件平台的测距实验结果表明,节点间最远测距距离达到了20 m,样本平均测距误差为5.2 cm,其中最小测距误差为2.6 cm,最大测距误差为7.5 cm,满足系统关于远距离测量和cm级误差的高精度测距要求。

四元传声器阵列定向算法及其结构优化

推导任意四元传声器阵列的定位算法和近似的定向算法,并得出性能最优的四元传声器阵列结构。建立任意四元阵列后,通过矩阵分析推出定位公式,在声源位于远场时,通过近似得到既能保证精度又十分简洁的定向算法;通过数学分析,推导出最佳的四元传声器阵列结构。数值计算结果表明,提出的近似定向算法是可靠的;计算机蒙特卡罗仿真结果表明,导出的最佳四元阵列性能优于普通的四元阵和正四面体阵。

无线、无源声表面波传感器

在传统的传感器阵列中,各个传感器之间是通过导线连接在一起的,阵列的输出也是用导线引出,这就限制了阵列传感器的应用。为此,提出了用多个无线、无源声表面波传感器构成阵列系统。

机载电磁矢量传感器阵列DOA和极化参数估计

针对机载电磁矢量传感器阵列DOA和极化参数估计问题,提出了一种基于复四元数估计方法,该算法利用四元数建立机载电磁矢量传感器阵列信号处理模型,然后利用四元数联合矩阵的特征分解得到阵列数据相关矩阵的特征分解,一方面使得计算过程中数据的贮存量大大减少,另一方面通过推导得到信号子空间和噪声子空间在四元数域上的正交性从而使DOA和极化参数估计的精度更高,仿真证实了本算法的有效性。

基于无线声阵列的目标定位系统设计

提出建立超大孔径声阵列来提高声探测装备的探测性能。为了能够简化系统布设,提出采用无线连接的方式组成声阵列。采用MSP430单片机作为中心处理器设计了无线传声器,为了保证各无线传声器同步进行数据采集采用了BD2和GPS双模授时技术。最后分别采用无线声阵列和有线声阵列进行了试验,采用MUSIC(Multiple Signal Classification)算法进行定向,结果表明无线声阵列能实现定向功能但精度稍差,在下一步的工作中采用相位一致性好的传声器能进一步提高精度。

均匀圆型声矢量阵的四元数二维波达方向估计

为提高声场空域中目标参数估计的精度,将四元数理论应用于均匀圆型声矢量阵列的二维空间角度估计中,建立了基于四元数模型的信号接收模型,推导了圆型声矢量阵的四元数导向矢量,给出了二维波达角估计的四元数域空间谱算法。考虑算法的软硬件可实现性,理论分析了算法的内存占用空间和计算量。此外,分析了圆阵半径对侧向性能的影响,为实际工作中圆阵的半径选取提供了一定的依据。仿真结果表明,基于四元数模型的MUSIC(Multiple Signal Classification)算法的分辨力较高,抗干扰能力较强,提高了信号参数估计的精度。