基于广义交叉相关的源定位

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这个例子展示了如何使用广义互相关(GCC)和三角测量来确定宽带信号源的位置。为了简单起见，本示例仅限于一个二维场景，包括一个源和两个接收传感器阵列。您可以将这种方法扩展到两个以上的传感器或传感器阵列以及三维空间。

简介

源定位不同于到达方向(DOA)估计。DOA估计只寻求从传感器确定信号源的方向。源定位决定了它的位置。在本例中，源定位包括两个步骤，第一个步骤是DOA估计。

使用DOA估计算法估计来自每个传感器阵列的源方向。对于宽带信号，许多著名的到达方向估计算法，如Capon方法或MUSIC，由于采用了元素之间的相位差，因此无法应用，只适用于窄带信号。在宽带的情况下，你可以使用信号在元素之间到达时间的差异而不是相位信息。要计算到达时间差异，此示例使用与相变的广义互相关(GCC-PHAT)算法。根据到达时间的差异，你可以计算出到达时间。(有关窄带DOA估计算法的另一个示例，请参见高分辨率到达方向估计）.
通过三角测量计算信号源位置。首先，从数组沿着到达方向画直线。然后，计算这两条直线的交点。这是源位置。源定位需要了解接收传感器或传感器阵列的位置和方向。

三角公式

三角测量算法基于简单的三角公式。假设传感器阵列位于二维坐标上（0，0）而且(L, 0)而未知源的位置是(x, y)．根据对传感器阵列位置和到达阵列的两个方向的了解， $θ_{1}$ 而且 $θ_{2}$ ，你可以计算(x, y)坐标从

$l ＝ y 棕褐色 θ_{1} + y 棕褐色 θ_{2}$

你能解出哪一个y

$y ＝ l / （棕褐色 θ_{1} + 棕褐色 θ_{2} ）$

然后是x

$x ＝ y 棕褐色 θ_{1}$

本示例的其余部分将展示如何使用相控阵系统工具箱™的函数和系统对象来计算源位置。

源和传感器的几何结构

设置两个接收四元ula沿x-轴，间隔50米。第一阵列的相位中心为(0, 0, 0)．第二阵列的相位中心为(50, 0, 0)．源位于(30100)米。如图所示，接收阵列的增益点在+ y方向。源在可能是方向。

指定传感器阵列之间的基线。

L = 50;

创建一个全向麦克风的4元接收器ULA。你可以用同样的方法分阶段。齿龈的系统对象™分阶段。WidebandCollector而且分阶段。GCCEstimator两个数组的系统对象。

N = 4;rxULA =阶段性的。齿龈(“元素”,分阶段。OmnidirectionalMicrophoneElement,.．.“NumElements”N);

指定第一个传感器阵列的位置和方向。创建ULA时，数组元素会自动沿y设在。您必须将数组的局部轴旋转90°，以使元素沿x全局坐标系的-轴。

Rxpos1 = [0;0;0];Rxvel1 = [0;0;0];Rxax1 = azelaxes(90,0);

指定第二个传感器阵列的位置和方向。选择第二个数组的本地轴与第一个数组的本地轴对齐。

rxpos2 = [L;0;0];Rxvel2 = [0;0;0];Rxax2 = rxax1;

将信号源指定为单个全向换能器。

Srcpos = [30;100;0];Srcvel = [0;0;0];Srcax = azelaxes(-90,0);srcULA = phase . omnidirectionalmicrophoneelement;

定义波形

选择源信号为宽带LFM波形。假设系统的工作频率为300khz，设置信号的带宽为100khz。假设最大操作距离为150米。然后可以设置脉冲重复间隔PRI (pulse repeat interval)和脉冲重复频率PRF (pulse repeat frequency)。假设占空比为10%，并设置脉冲宽度。最后，在水下通道使用1500米/秒的声速。

设置LFM波形参数并创建分阶段。linearFMWaveform系统对象。

Fc = 300e3;% 300 kHzC = 1500;1500米/秒Dmax = 150;% 150米Pri = (2*dmax)/c;PRF = 1/pri;Bw = 100.0e3;% 100 kHzFs = 2*bw;波形=相控。LinearFMWaveform (“SampleRate”fs,“SweepBandwidth”bw,.．.脉冲重复频率的脉冲重复频率,“脉冲宽度”革命制度党/ 10);

然后，发射信号可以被生成为

Signal =波形();

辐射、传播和收集信号

宽带系统的辐射和传播建模比窄带系统的建模更为复杂。例如，衰减取决于频率。信号入射方向引起的多普勒频移和元件间的相移也随频率的变化而变化。因此，在处理宽带信号时，对这些行为建模是至关重要的。本例使用子带方法。

设置子带数为128。

NFFT = 128;

指定源散热器和传感器阵列收集器。

散热器=阶段性。WidebandRadiator (“传感器”srcULA,.．.“PropagationSpeed”c“SampleRate”fs,.．.“CarrierFrequency”足球俱乐部,“NumSubbands”, nfft);Collector1 =阶段性的。WidebandCollector (“传感器”rxULA,.．.“PropagationSpeed”c“SampleRate”fs,.．.“CarrierFrequency”足球俱乐部,“NumSubbands”, nfft);Collector2 =相控的。WidebandCollector (“传感器”rxULA,.．.“PropagationSpeed”c“SampleRate”fs,.．.“CarrierFrequency”足球俱乐部,“NumSubbands”, nfft);

为从源到两个传感器阵列的路径创建宽带信号传播器。

Channel1 =阶段性。WidebandFreeSpace (“PropagationSpeed”c.．.“SampleRate”fs,“OperatingFrequency”足球俱乐部,“NumSubbands”, nfft);Channel2 =阶段性。WidebandFreeSpace (“PropagationSpeed”c.．.“SampleRate”fs,“OperatingFrequency”足球俱乐部,“NumSubbands”, nfft);

确定从源到传感器阵列的传播方向。传播方向是关于源的局部坐标系的。

[~，ang1t] = rangeangle(rxpos1,srcpos,srcax);[~，ang2t] = rangeangle(rxpos2,srcpos,srcax);

从源向传感器阵列的方向辐射信号。

sight =散热器(信号，[ang1t ang2t]);

然后，将信号传播到传感器阵列。

Sigp1 = channel1(sigt(:，1)，srcpos,rxpos1,srcvel,rxvel1);Sigp2 = channel2(sigt(:，2)，srcpos,rxpos2,srcvel,rxvel2);

计算传播信号在传感器阵列处的到达方向。由于收集器响应是传感器阵列局部坐标系中到达方向的函数，因此将局部坐标轴矩阵传递给rangeangle函数。

[~，ang1r] = rangeangle(srcpos,rxpos1,rxax1);[~，ang2r] = rangeangle(srcpos,rxpos2,rxax2);

在接收传感器阵列上收集信号。

Sigr1 = collector1(sigp1,ang1r);Sigr2 = collector2(sigp2,ang2r);

GCC估计和三角测量

创建GCC-PHAT估计器。

Doa1 =阶段性。GCCEstimator (“SensorArray”rxULA,“SampleRate”fs,.．.“PropagationSpeed”c);Doa2 =阶段性。GCCEstimator (“SensorArray”rxULA,“SampleRate”fs,.．.“PropagationSpeed”c);

估计到达的方向。

Angest1 = doa1(sigr1);Angest2 = doa2(sigr2);

用前面建立的公式对震源位置进行三角定位。因为这个场景只限于x - y平面，设z坐标为零。

yest = L/(abs(tand(angest1)) + abs(tand(angest2)));Xest = yest*abs(tand(angest1));Zest = 0;Srcpos_est = [xest;yest;zest]

srcpos_est =3×129.9881 100.5743 0.单击“确定”

估计的震源位置与真实位置相差不超过30厘米。

总结

这个例子展示了如何使用三角测量执行源定位。特别地，该示例演示了如何模拟、传播和处理宽带信号。采用gc - phat算法估计宽带信号到达的方向。