利用仰角信息降低直升机声目标检测虚警率

    1 引言

    低空的开放激发了潜在的航空消费需求,随之而来的低空管制就显得越发的重要。对直升机声目标的检测是低空管制的一项重要内容。直升机声信号有明显的谐波特征,可以利用谐波特征来识别。但是这种情况下系统的正确识别率受噪声的影响很大,有的地面车辆噪声源的声信号频谱较宽,也有谐波特征的存在,这样使得对直升机声目标的检测容易产生很大的虚警率。

    不同的声源目标有着不同的空间位置。低空直升机声目标往往在传感器阵列的上方,而地面噪声源传感器阵列的下方(可将传感器阵列距离地面一定高度摆放),即用仰角的正负就可以将它们区分开来。基于这点,文中提出了一种利用仰角信息和谐波特征综合判断的方法来检测直升机声目标。实验对比结果表明该方法是有效的、可行的,系统的虚警率也降低了。

    虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬有机的融为一体,实现对数据的显示、存储以及分析和处理。LabVIEW是NI公司推出的虚拟仪器开发平台软件,将复杂的语言编程简化成图形化的框图程序,再加上友好美观的界面,使用起来十分直观简便。MATLAB是MathWorks公司提供的一种公式化编程语言,有丰富的库函数和工具箱,信号处理功能十分强大,处理速度快。通过编程接口技术将LabVIEW和MATLAB结合使用,充分发挥两种软件的优势,再结合硬件资源,可以实现工程上的一些应用[1]。

    2 仰角测量方法

    考虑到直升机声信号源到两传感器的距离较远,文中采用基于平面波的远场模型[2],如图1(a)所示。传感器1和传感器2分别位于Z轴上的A点和B点,且OA=OB。C点为声源S在Z轴上的投影点。D点为声源S在XOY面的投影点。A、B、C、D、S五点在同一平面内,如图1(b)所示。

    在平面波远场模型下,认为声源信号的传播轨迹是近似平行的[3],即SAMSB。假设传感器1和2各向同性,x(n)与y(n)分别是两者接收的声源信号,表达式为

   式中,s(n)为声源信号,K为声源信号到达B点的时间与到达A点的时间的差值,H为相对幅值增益,z1(n)和z2(n)是相互统计独立、均值为零、与s(n)不相关的两传感器噪声[4]。

    x(n)和y(n)的互相关函数为

    式中,Rs(S)是s(n)的自相关函数。结合自相关函数的性质,可知Rxy(S)在S=K处取最大值。也就是说,互相关函数Rxy(S)取最大值时的S值就是时延K的估计值。

    则声源S的仰角R的大小为

    式中,d为两传感器的距离,$为路程差,v0为声音在空气中的传播速度。

    由于以C点为圆心、以CS的长度为半径、且平行于XOY面的圆上的任何一点的仰角大小都等于A,因而该两元阵列只能辨识仰角A,而无法分辨方位角B,也就是说这里只能算出声源的仰角大小,而无法确定声源的具体位置。