一种基于可控波束形成的热源定位方法与流程

1.本发明涉及一种基于可控波束形成的热源定位方法，属于基于红外信号处理的热源定位技术领域。


背景技术：

2.波束形成(beamforming)，也称波束赋形，是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。波束形成技术通过调整相位阵列的基本单元的参数，也就是对传感器接收到的信号进行处理(例如加权、时延、求和等)，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉，从而形成信号波束的空间指向性。
3.波束形成可以应用于对多路麦克风信号进行合并处理，抑制非目标方向的干扰信号，增强目标方向的声音信号，从而实现指向性收音；还可以应用于声源识别，通过对传感器阵列接收到的声音信号(声压或振速的波形)进行延迟、加权和求和，从而使期望信号在同一时间到达波前(wavefront)，此时信号强度在空间上形成一个极大值，此时期望信号所形成的波束指向声源。波束形成既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。波束形成算法运算速度快，针对平面波计算准确度高。
4.热源探测广泛涉及到消防安全领域，电气、电子设备检测领域，军事应用领域，资源勘探领域以及生物识别领域，其可靠性和精准度提升将直接或间接助推其涉及领域的生产效率和生产安全的提升。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于可控波束形成的热源定位方法，用以解决热源定位速度慢，准确度低的问题。
6.为实现上述目的，本发明的方案包括：
7.本发明的一种基于可控波束形成的热源定位方法，建立包括至少两个红外热传感器的红外热传感器阵列，对设定波长范围内的红外信号进行侦测；
8.对红外热传感器阵列中各个传感器接收到的信号进行加权来调整信号相位，并对加权后的信号进行求和得到红外热传感器阵列的输出信号功率，不断改变加权系数直到输出信号功率达到最大值；
9.根据输出信号功率最大时的各传感器的加权系数得到各传感器接收到对应红外信号的相位差，根据各传感器的相位差来计算侦测到的设定波长的红外信号的入射角，根据入射角得到发出该设定波长的红外信号的热源的方向。
10.波束形成技术广泛应用有无线电通信、信号探测领域，具有探测速度快的优势。本发明将其引入到热源探测领域，提高了热源探测的效率。
11.进一步的，所述红外热传感器阵列为均匀线性传感器阵列；红外热传感器阵列的输出表示为：
[0012][0013]
其中，m为红外热传感器阵列中传感器的数量，wi(θ)为第i个传感器的加权系数，xi(t)为第i个传感器接收到的信号，θ为侦测到的设定波长的红外信号的入射角，t为时间，*表示复共轭。
[0014]
进一步的，红外热传感器阵列的输出信号功率的计算方法为：采用向量来表示各传感器接收到的信号及加权系数，
[0015]
x(t)＝[x1(t) x2(t)
…ꢀ
xm(t)]
t
[0016]
w(θ)＝[w1(θ) w2(θ)... wm(θ)]
t
[0017]
其中，x(t)为各传感器接收到的信号的向量形式，w(θ)为各传感器加权系数的向量形式；
[0018]
则红外热传感器阵列的输出用向量表示为，
[0019]
y(t)＝w
*
(θ)x(t)＝wh(θ)x(t)
[0020]
其中，h为自共轭矩阵；
[0021]
红外热传感器阵列的输出信号功率为，
[0022]
p
cbf
(θ)＝e[y(t)2]＝wh(θ)rw(θ)
[0023]
其中，r为阵列输入数据的自相关矩阵。
[0024]
进一步的，
[0025]
w(θ)＝[1e-jωτ
ꢀ…ꢀ-j(m-1)ωτ
]
[0026]
其中，e-jωτ
ꢀ…ꢀ-j(m-1)ωτ
分别为第2个到第m个传感器相比于最早侦测到对应红外信号的传感器的相位差。
[0027]
进一步的，所述红外热传感器采用热释电红外传感器。
[0028]
热释电红外传感器本身不发出任何类型的辐射，器件功耗低，技术成熟且价格低廉，且灵敏度高，能以非接触形式检测接收到红外线能量的变化，并将其转化成电压信号输出。将热释电红外传感器用于本发明的热源定位中搭建传感器阵列能够降低成本和功耗，且稳定可靠。
[0029]
本发明的一种基于可控波束形成的热源定位方法，建立包括至少两个红外热传感器的红外热传感器阵列，对设定波长范围内的红外信号进行侦测；
[0030]
以所述红外热传感器阵列中的设定传感器为参考传感器，采用可变的时延参数依次补偿红外信号到达阵列中其他传感器与参考传感器之间的时间延迟差；不断改变每个传感器用于补偿时间延迟差的时延参数，当输出的功率最大时，根据阵列中各传感器当前的时延参数确定该设定波长的红外信号的到达方向，该到达方向即为发出对应红外信号的热源的方向。
[0031]
采用延迟求和算法实现基于波束形成的热源定位，相比于其他例如特征值分解算法，延迟求和算法的计算速度更快，计算量小。
[0032]
进一步的，参考传感器为最先接收到设定波长的红外信号的传感器。
[0033]
进一步的，输出的功率p(s)为：
[0034][0035][0036]
其中，s
δ(w)
为阵列中各传感器补偿时间延迟差并求和后的输出结果，xi(w)是si(w)的傅里叶表现形式，si(w)是第i个传感器的接收信号，gi(w)是第i个传感器对应的滤波器的傅立叶变换，为第i个传感器时间延迟差补偿的时延参数，第1个传感器为参考传感器，
[0037]
得到输出功率最大时各个传感器相对于参考传感器的时延补偿，该时延补偿使得各传感器的接收信号在波峰处对齐，发生相长干涉，因此使得输出功率最大。此时，根据补偿的延时和波速能够计算出各传感器接收信号的相位差，基于相位差能够得到接收信号入射方向与传感器阵列所在直线的夹角θ，进而实现热源方向的确定。
[0038]
进一步的，所述红外热传感器采用热释电红外传感器。
[0039]
热释电红外传感器本身不发出任何类型的辐射，器件功耗低，技术成熟且价格低廉，且灵敏度高，能以非接触形式检测接收到红外线能量的变化，并将其转化成电压信号输出。将热释电红外传感器用于本发明的热源定位中搭建传感器阵列能够降低成本和功耗，且稳定可靠。
附图说明
[0040]
图1为热源定位远场模型示意图；
[0041]
图2为线阵波束形成结构示意图；
[0042]
图3为实施例2的延迟求和可控波束形成热源定位技术原理图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明做进一步详细地说明。
[0044]
实施例1：
[0045]
本发明的一种基于可控波束形成的热源定位方法，利用红外热感应传感器阵列对于在一定波长范围内的热源信号进行侦测，通过可控波束形成算法处理探测结果，计算空间内热源位置。
[0046]
红外热传感器可以采用现有技术中的热释电红外传感器，热释电红外传感器是由一种高热电系数的材料制成的高灵敏度探测组件，它能以非接触形式检测接收到的红外线能量的变化，并将其转化成电压信号输出。当红外线照射到传感器探测组件上后，因热释电效应将向外释放电荷，探测组件将红外辐射转变成微弱的电压信号，经组件内的场效应管放大输出。
[0047]
本发明的热源定位首先利用了物体的红外热辐射性质：红外线是电磁波的一种，波长范围为0.76～1000μm。红外线的产生与温度有着密切关系。自然界里所有物体，当其温度高于绝对零度(即-273.15℃)时，都会辐射红外线。其辐射能量大小和按波长的分布情况是由物体的表面温度决定的。物体表面辐射能量与物体表面温度的四次方成正比；物体辐
射能量最大的波长区间(称为峰值波长)随着温度的升高向短波长的方向移动，即温度较低时红外热辐射的峰值波长比温度较高时长。也即一个物体温度越高，越能辐射波长较短的红外线，而温度较低时能辐射波长较长的红外线。
[0048]
具体的，根据普朗克黑体辐射定律：
[0049][0050]
其中，ρv为空腔内谱能量密度，h为普朗克常量，v为震荡频率，c为真空中光速，k为玻尔兹曼常数，t为黑体绝对温度。
[0051]
当震荡频率v很大时，由于得到维恩公式：
[0052][0053]
以热源定位的防火安全应用为例，选取300℃和1000℃作为待侦测的热源。300℃时，红外热辐射的波长约为：6.8μm，1000℃时约为：3.06μm。
[0054]
传感器阵列用于收集热源信号(特定波长的红外热辐射)，传感器阵列包括在直线上等间距按照一定几何形状排列的红外热传感器，使用传感器阵列增加了观测维度，有助于估计更多参数并提高估计性能。本实施例以防火安全应用为例，传感器阵列侦测空间中的红外热辐射信号(以下简称红外信号)，当侦测到设定波长(例如3.06～6.8μm)的红外信号时，采用波束形成算法进行处理。
[0055]
波束形成算法的具体处理过程如下。
[0056]
建立波束形成数学模型，根据红外热辐射的相关性质和实验计算结果，以及考虑到远区场是在以场源为中心半径为三个波长之外的空间范围。在热源定位的应用场景内，其波长特征可以近似于远场，于是可得如图1所示的可控波束形成远场模型，图中s(t)表示空间中的红外信号，xi(t)为某传感器接收到的信号，yi(t)为某传感器输出的信号。
[0057]
可控波束形成的热源定位算法是对红外热传感器阵列中各个热传感器采集到的红外信号进行滤波然后进行加权求和，形成具有指向性的波束，通过搜索热源可能的位置来改变权值引导波束方向，不断改变权值来寻求阵列输出信号功率的最大值，此时波束方向即为热源方向，从而实现热源定位。
[0058]
具体的，在阵列中每个传感器接收到的信号xi(t)为：
[0059]
xi(t)＝s(t-τi) ni(t)
[0060]
其中，s(t)为t时刻被热传感器接收到的热源发出的红外信号；τi为信号传到第i个热释红外传感器的延迟，i＝1,2
…
m，m为传感器阵列中红外热传感器的数量；li为第i个红外热传声器到第一个红外热传声器之间的距离，li＝(i-1)d，d为传感器阵列中相邻两个传感器之间的间距，θ为红外信号入射方向与传感器阵列中传感器所在直线的夹角(入射角)；ni(t)为对应第i个传感器的噪声，假定为白噪声。
[0061]
为了更好的说明波束形成算法对于热源位置的估算原理，引入线阵波束形成模型进行说明，线阵波束形成模型即是针对均匀线性传感器阵列的波束形成模型，线阵波束形成模型如图2所示。
[0062]
均匀线性传感器阵列是指单元传感器呈直线排列且单元传感器之间间隔相等，以一维m元相同距离阵列为例，每个传感器通道用一个加权系数来调整相位，波束形成对不同角度的热源表现出不同的阵列响应。
[0063]
阵列的输出y(t)可以表示为:
[0064][0065]
其中，“*”表示复共轭；wi(θ)为第i个传感器接收信号的加权系数，加权系数为一个与入射角有关的函数，用于调整传感器接收信号的相位。
[0066]
若采用向量来表示各传感器通道的输出及加权系数：
[0067]
x(t)＝[x1(t) x2(t)
ꢀ…ꢀ
xm(t)]
t
[0068]
w(θ)＝[w1(θ) w2(θ)
ꢀ…ꢀ
wm(θ)]
t
[0069]
其中，x(t)向量形式的各通道的输出，w(θ)为向量形式的各通道的加权系数。
[0070]
则阵列的输出y(t)用向量表示为：
[0071]
y(t)＝w
*
(θ)x(t)
[0072]
通过修改θ改变波束方位，即在期望方位上进行加权处理，设第一个传感器为参考传感器，则热源发出的红外信号被第i个传感器接收后输出的信号可表示为xi(t)exp(-jωτ)。则期望方位上加权的权值也即期望方位上的热源所发射的红外信号到达各传感器的相位差可用向量表示为：
[0073]
w(θ)＝[1 e-jωt
ꢀ…ꢀ
e-j(m-1)ωt
]
t
[0074]
观察此加权向量，远场模型下的平面波信号的方向向量a(θ)的表示形式跟此权向量一样，即：
[0075]
w(θ)＝[1 e-jωt
ꢀ…ꢀ
e-j(m-1)ωt
]
t
＝[a1(θ) a2(θ)
ꢀ…ꢀam
(θ)]
t
＝a(θ)
[0076]
则有：
[0077]
y(t)＝wh(θ)x(t)＝ah(θ)x(t)
[0078]
其中“h”为厄米矩阵，即自共轭矩阵。
[0079]
根据常规波束形成法(cbf)，此时波束形成的输出功率p
cbf
(θ)可表示为：
[0080]
p
cbf
(θ)＝e[y(t)2]＝wh(θ)rw(θ)＝αh(θ)rα(θ)
[0081]
其中，r为阵列输入数据的自相关矩阵，自相关矩阵r包含了阵列响应向量和信号自身的有用信息。通过对输入数据的自相关矩阵r进行估计，就可以计算出波束形成的输出功率p
cbf
(θ)。
[0082]
线阵波束形成模型从数学角度分析了波束形成中向量与能量的关系。通过不断改变权值，从而改变波束的方向向量，反映在传感器阵列上就是改变红外信号入射方向与均匀线性传感器阵列中传感器所在直线的夹角θ，在期望方位或者全方位(0～180度)上进行搜索，输出功率p
cbf
(θ)最大时的夹角θ所对应的波束方向即为热源方向。
[0083]
实施例2：
[0084]
本发明利用算法对接收的到的热源红外信号进行处理。本实施例中，考虑热源信号传到每个传感器的时间不相同，传输的时候会产生时间延迟，所以在利用波束形成算法处理的时候就是对延时进行补偿，以第一个传感器为参考，依次补偿热源红外波到达每个
传感器与参考传感器之间的时间延迟差。第i个传感器需补偿的时延定义为δi，称为“可控时延”，不同的可控时延对应着不同的波束方向，不断改变可控时延δi，不断的调整波束的方向，对全局进行搜索，当波束方向对着热源位置的时候，波束出现相长干涉，振幅(能量最大)代表热源定位完成。
[0085]
在本实施例中，为了应对相关噪声，波束形成采用延迟-求和波束法，其定位原理如图3所示，该原理以频域信号为输入，对传感器阵元接收信号s(w)进行延迟，以时间上的移位来补偿热源红外信号到传感器的延迟，叠加形成混合信号，当时间上对齐时，信号的输出功率最大，输出功率最大的点对应热源位置。
[0086]
其中g(w)是滤波器对应的傅里叶变换。基于可控波束的热源定位技术对各个阵元的延迟补偿进行控制，引导波束对空间内进行搜索，对搜索的波束功率进行计算，当波束方向对准热源位置时，波束功率值最大，该位置为热源位置。
[0087]
可控波束的热源定位算法输出结果表达式为：
[0088][0089]
式中，xi(w)是si(w)的傅里叶表现形式。
[0090]
阵列接收到的信号的功率p(s)可表示为：
[0091][0092]
则所求的热源位置为：
[0093][0094]
该式表示一个估算值，为信号功率最大值自变量点集，依据此值，可以根据空间中向量与能量的关系估算热源位置。