專利名稱：一種基于復(fù)合傳感器自組網(wǎng)的運動目標分類識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)方面，涉及目標識別與自組網(wǎng)的應(yīng) 用技術(shù)，尤其涉及一種采用復(fù)合傳感器自組網(wǎng)系統(tǒng)的運動目標分類識別方法。
背景技術(shù)：
傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年來國內(nèi)外研究和應(yīng)用非常熱門的領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟建設(shè)和國 防軍事上具有十分重要的應(yīng)用價值。微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的進步，推動了 低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使得在微小體積內(nèi)能集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通 信等多種功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成， 通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng) 絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、 反恐、危險區(qū)域遠程控制等諸多領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。傳感器、感知對象和觀察者 構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融合在一 起，正在改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，擴展了現(xiàn)有網(wǎng) 絡(luò)的功能和人類認識世界的能力。在無線網(wǎng)絡(luò)向自組織、泛在化、復(fù)合性發(fā)展的過程中，應(yīng)用終端始終是網(wǎng)絡(luò)互通和 融合的關(guān)鍵，終端業(yè)務(wù)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)提供了豐富多彩的應(yīng)用功能。從自組網(wǎng)的功能來看，每個 傳感器節(jié)點都具有信息采集和路由的雙重功能，除了進行本地信息收集和處理外，還存儲、 管理和融合其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，與其它節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。如果通信環(huán)境 或者其它因素發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)的某個或部分節(jié)點失效時，先前借助它們傳輸數(shù) 據(jù)的其它節(jié)點則自動重新選擇路由，保證在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時能夠?qū)崿F(xiàn)自動愈合，這是自組 網(wǎng)的典型特征。探測與識別運動目標是傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端業(yè)務(wù)功能之一。目標分類識別就是通過 分析和處理目標的特征信號，將目標歸為事先劃定的某一類型?；咀龇ㄍǔＪ窃跇颖居?xùn) 練集的基礎(chǔ)上確定某個判決規(guī)則，使按該規(guī)則對被識別對象進行分類所造成的錯誤識別率 最小。規(guī)則式分類方法比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能優(yōu)化方法具有較小的計算量，便于計算 機程序的快速執(zhí)行，實時輸出結(jié)果。當(dāng)前使用的目標識別方法主要包括基于圖像、感應(yīng)線圈、微波、聲音等方式?；?圖像的目標識別率可達到90%，但基于圖像的目標識別的局限性，在于系統(tǒng)特性受到環(huán)境 和光線的影響較大。有些目標識別方案的安裝成本和維護費用較高，不利于大范圍使用?；?于傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標識別方案提供了非常靈活的節(jié)點布置結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)能便攜化和有利于大 規(guī)模部署。本發(fā)明提供的方法屬于典型的規(guī)則式分類方法，具有計算量小、能量消耗低、實時 性強的特點。這種目標分類識別方案采用磁阻和微震動傳感器組成復(fù)合探測終端，協(xié)作地 感知和識別運動目標，避免單種傳感器探頭采集信息的片面性。通過自組網(wǎng)方式將分類識
4別的結(jié)果，進行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸至基站控制中心。近年來隨著微型傳感器測量精度的不斷提高，通過提取目標數(shù)據(jù)的特征量，可以 分析目標的屬性。運動目標識別技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值和意義，譬如它是交通規(guī)劃和管 理部門的重要信息來源，目標類型的信息可以給高速公路容量預(yù)測提供正確的評估。在軍 事上這是偵察獲取情報的一種重要手段，用于識別關(guān)鍵路段上的運動目標類型，為戰(zhàn)場目 標的探測和自動識別提供新的途徑。它的優(yōu)點在于可以彌補傳統(tǒng)偵察設(shè)備存在的體積大、 易被敵人發(fā)現(xiàn)等缺陷，迅速地為警戒分隊提供戰(zhàn)場感知信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于復(fù)合式微型傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的地面運動目標分類 識別方法，特點是計算量小，實時性好，分類的目標類型多。本發(fā)明的特征在于通過對地面運動目標產(chǎn)生的磁阻和微震動信號進行采集，結(jié) 合自組網(wǎng)系統(tǒng)的通信功能，完成目標分類識別任務(wù)。圖1是基于復(fù)合傳感器自組網(wǎng)平臺的運動目標分類識別系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖。根據(jù) 該圖所示，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集組件、自組網(wǎng)通信組件、目標分類識別組件、電源管理組件、 后臺管理組件構(gòu)成。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件研制，包括探測節(jié)點和接收控制節(jié)點(即網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點) 兩個電路板的設(shè)計。探測節(jié)點用于感知目標和預(yù)處理采集到的數(shù)據(jù)；接收控制節(jié)點負責(zé)發(fā) 送控制命令、接收探測節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，以及存儲顯示監(jiān)測結(jié)果。由各向異性磁阻和微震動傳感器探頭構(gòu)成數(shù)據(jù)采集組件，它根據(jù)被測目標發(fā)出的 多源信號，探測目標出現(xiàn)的事件信息。自組網(wǎng)通信組件完成多跳自組網(wǎng)的信息傳輸任務(wù)。目 標分類識別是執(zhí)行目標分類的計算功能。電源管理組件提供電池供電。后臺管理組件負責(zé) 接受和傳達用戶指令，啟動網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)服務(wù)功能。磁阻傳感器是一種測量地球磁場的微型傳感器。這類傳感器的帶寬范圍為 l-5MHz,響應(yīng)速度快，最低可以保證行駛速度400km/h的車輛在每0. 1mm的行程上采樣一 次，完全滿足運動目標探測的需要。對于復(fù)合探測傳感器系統(tǒng)而言，節(jié)點電路既包括磁阻傳感器又包括了微震動傳感 器。后者采用ADXL202傳感器，它是一種低成本、低功耗的雙軸加速度傳感器。ADXL202 輸出數(shù)字信號，脈寬占空比與兩根傳感軸各自所感受到的加速度成正比，輸出信號周期在 0. 5ms-10ms范圍內(nèi)，用外接電阻調(diào)節(jié)。ADXL202測量正負加速度，最大測量范圍為士2g。在 復(fù)合探測系統(tǒng)的傳感器電路中，根據(jù)占空比和電阻器值計算出的加速度值，并且取兩個軸 向上的加速度矢量和的數(shù)值作為最終的有效信號數(shù)據(jù)。雙軸磁阻傳感器和雙軸微震動傳感器集成在一個終端節(jié)點上，位置放置要求與道 路方向及其垂直方向相一致。采樣頻率設(shè)置為20Hz，即每秒采集兩種傳感器信號數(shù)據(jù)各為 20次。本系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)分六類運動目標①徒手人員；②武裝人員(或攜帶金屬體的人 員)；③小型車輛；④客車；⑤大型車輛；⑥履帶式車輛。徒手人員是指不攜帶金屬體的步行 人員，武裝人員是指攜帶金屬、槍支的人員。總質(zhì)量不小于4500kg的車輛為大型車輛，反之 歸屬于小型車輛，另外長度不小于6m的為客車。履帶式車輛由履帶機構(gòu)支持運行。
附圖2是實現(xiàn)步驟的流程框圖。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在探測地段部署完畢后，網(wǎng)絡(luò)終 端節(jié)點通過對地面運動目標實際產(chǎn)生的磁阻信號和微震動信號的采集，實施目標分類識別 功能。分類方法的操作步驟如下步驟一閾值設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的終端探測節(jié)點需要設(shè)計不同的感測電壓閾值，閾值是通過預(yù)先 試驗統(tǒng)計得出，閾值選取方法如下
閾值-MtzlM 間隔點數(shù)其中，基準值是在無目標通過且無干擾的情況下、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸出電路電壓，波動 值是在無目標通過而有干擾的情況下、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸出電路電壓，間隔點數(shù)是兩個基準值 之間的波動值數(shù)據(jù)的個數(shù)。閾值的計算示例參見具體實施方式
。步驟二 峰值轉(zhuǎn)換峰值轉(zhuǎn)換過程是將運動目標經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時產(chǎn)生的實際信號，轉(zhuǎn)換成三值模 式{+1，0，-1}。將運動目標經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時產(chǎn)生的實際信號的變化率與閾值進行比 較，如果為正且大于閾值，則特征化為+1 ；如果為負且數(shù)量上大于閾值，則特征化為-1 ；如 果斜率的數(shù)值小于或等于閾值，則特征化為0。峰谷模式表示目標的磁阻和微震動信號具有“山峰”和“溝谷”的特征。峰值轉(zhuǎn)換 過程具有高壓縮比，從而使目標分類過程的計算量小、實時性強。步驟三樣本庫構(gòu)造通過試驗預(yù)先采集運動目標產(chǎn)生的磁阻信號與微震動信號的樣本，利用峰值轉(zhuǎn)換 過程將這些樣本信號分別轉(zhuǎn)換成峰值模式，形成兩類標準特征信號，以此構(gòu)造目標特征的 樣本庫，實現(xiàn)六類目標的區(qū)分①徒手人員，②武裝人員(或攜帶金屬體的人員)，③小型車 輛，④客車，⑤大型車輛，⑥履帶式車輛。對于雙軸磁阻和微震動傳感器，建立的目標分類樣本庫中的一組特征信號例子如 下表所示 步驟四特征識別在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)執(zhí)行目標監(jiān)測任務(wù)時，只要運動目標經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的附近，這個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集組件就對運動目標產(chǎn)生的磁阻與微震動這兩種信號進行現(xiàn)場 采集，將采集的兩類信號結(jié)果與樣本庫中的兩類標準特征信號分別進行比較，分別算出它 們之間的距離，兩類距離相加求和，再比較何種目標類型的距離總和最小，則將最小距離總 和的目標類型作為識別結(jié)果。所述的特征識別過程細節(jié)操作如下在采用標準特征信號進行目標類型的識別時，將運動目標現(xiàn)場產(chǎn)生的實際信號與 樣本庫中的標準特征信號進行比較計算R = c「cbl | + | c2_cb21+... + | c10_cbl0其中，{Cl，cv"ci(l}是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的運動目標現(xiàn)場產(chǎn)生的實際信號的三值模式 數(shù)據(jù)，{cbl,cb2-cbl0}是樣本庫中的標準特征信號的數(shù)據(jù)，R是這兩種數(shù)據(jù)之間的向量差值。當(dāng)每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集組件采集到目標的磁阻信號與微震動信號時，算出差 值R。假設(shè)禮表示磁阻信號的差值比較結(jié)果，&表示微震動信號的差值比較結(jié)果，這兩種信 號的差值距離相加求和為(Ri+R2)。如果某種目標類型對應(yīng)的綜合計算結(jié)果(Ri+R2)的數(shù)值 最小，則將它所對應(yīng)的標準特征信號的目標類型作為分類識別的結(jié)果。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 監(jiān)測中心計算機負責(zé)收集目標分類識別的情況，并保存到數(shù)據(jù)庫。這種目標分類識別方法非常便于程序代碼的實時運行，功耗低，以分布式方式在 各個傳感器終端節(jié)點獨立操作，降低了傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通信代價。本方法通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺進行試驗，依據(jù)采集的磁阻與微震動信號的 實際數(shù)據(jù)完成目標分類，監(jiān)測中心的計算機顯示輸出運動目標經(jīng)過傳感器網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點時的 目標分類識別結(jié)果。下面結(jié)合


具體實施例。

圖1是基于復(fù)合傳感器自組網(wǎng)的運動目標分類識別系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖；圖2是本系統(tǒng)實現(xiàn)步驟的流程框圖；圖3是目標分類識別的原理過程；圖4是峰值轉(zhuǎn)換過程的一個示例；圖5是武裝人員(或攜帶金屬體的人員)的磁阻信號的一個樣本示例；圖6是武裝人員(或攜帶金屬體的人員)的微震動信號的一個樣本示例。
具體實施例方式參考附圖詳細描述了本發(fā)明的某些實施例。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)終端探測節(jié)點包括兩種傳感器、微處理器、射頻通信和電源四個模塊， 采用片狀的鋰離子電池供電，裝配在特制的圓形硬塑料空殼里。整個探測節(jié)點體積小，裝配 后的探測節(jié)點只有10. 3cm的直徑和3cm的厚度，因而布設(shè)靈活，能代替目前應(yīng)用的電感線 圈來識別運動目標。附圖3是目標分類識別的原理過程，這種基于統(tǒng)計方法和規(guī)則式的模式識別系 統(tǒng)，由5個部分組成傳感器信息獲取、預(yù)處理、特征提取和選擇、分類器設(shè)計、分類計算過禾呈。
考慮區(qū)分六類目標(1)徒手人員；(2)武裝人員(或攜帶金屬體的人員)；(3)小 型車輛；(4)客車；(5)大型車輛；(6)履帶式車輛。分類的標準是依據(jù)運動目標所具有的磁 阻與微震動信號的特征。目標分類的標準如下徒手人員是不攜帶金屬體的步行人員，如徒步行走的行人， 或戰(zhàn)場上的平民。武裝人員是攜帶槍支和單兵裝備的人員，或攜帶一定量金屬體的行人。由于當(dāng)前車輛種類多，根據(jù)車輛不同的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、燃料、用途和型號可進行不同 的分類。這里參照我國GB/T 3730. 1-1988標準《汽車和半掛車的術(shù)語及定義-車輛類型》， 將普通車輛分為大型車輛、小型車輛和客車。總質(zhì)量不小于4500kg的為大型車輛，如貨車， 反之歸屬于小型車輛，如轎車。另外，長度不小于6m的為客車，如公交車。履帶式車輛由履 帶機構(gòu)支持運行，履帶是由主動輪驅(qū)動的圍繞著主動輪、負重輪、誘導(dǎo)輪和托帶輪的柔性鏈 環(huán)，它由履帶板和履帶銷等組成。履帶式車輛與輪式車輛在地面微震動信號方面有著明顯 的不同，這類目標包括履帶式挖土機、裝甲車等。目前用于探測和識別運動目標的傳感設(shè)備大多比較笨重，價格貴，系統(tǒng)部署和鋪 設(shè)的工作量大，如電感線圈測量系統(tǒng)、視頻攝像頭系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和聲納探測系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用微型化的霍尼威爾雙軸磁阻傳感器和雙軸微震動加速度傳感器 (ADXL)采集數(shù)據(jù)，有效克服傳感器選型方面存在的上述問題。當(dāng)目標經(jīng)過傳感器網(wǎng)絡(luò)的終 端節(jié)點時，傳感器探測出目標不同部位的各種偶極矩，尤其是車輛目標，磁場變化量揭示出 目標的具體磁阻特征，利用磁阻擾動信號區(qū)分不同的目標類型。微震動傳感器通過對地面 微震動信號的探測，分辨出經(jīng)過的目標是人員、輪式車輛還是履帶式車輛，通過與磁阻信號 的綜合分析，識別出目標的具體類型。根據(jù)運動目標產(chǎn)生的磁阻信號和微震動信號，研制混合探測的電路系統(tǒng)。兩種傳 感器的采集和處理分別獨立封裝在單獨的任務(wù)模塊里，每個任務(wù)獨立編程、并行運行。由于 系統(tǒng)的采樣頻率較低，取作20Hz，它可以滿足識別任務(wù)的需求。當(dāng)目標經(jīng)過時，兩種傳感器 以這種采樣頻率能夠可靠地采集到目標產(chǎn)生的信號。兩種傳感器的采集任務(wù)模塊負責(zé)控制傳感器采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù) 處理任務(wù)，在數(shù)據(jù)處理任務(wù)中，原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理操作并得到最終的信息。這種信息以單跳 或多跳的網(wǎng)絡(luò)傳輸形式，發(fā)送給監(jiān)控中心的計算機。對于在一塊電路板上實現(xiàn)兩個傳感器的采集任務(wù)，試驗驗證了整個復(fù)合傳感器數(shù) 據(jù)采集組件的實時性，在目標快速通過的情況下，即在1-2秒時間通過傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 終端探測節(jié)點時，系統(tǒng)能回傳一組有效數(shù)據(jù)，約為50-70個磁阻信號和微震動信號。分類識 別算法基于這些數(shù)據(jù)，完成分類計算，多傳感器復(fù)合探測系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的實時性。在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署之后，根據(jù)復(fù)合傳感器采集的信號，目標分類識別的步驟 如下(1)閾值設(shè)計設(shè)計的閾值選取方法如下
驢波動值-基準值 _=間隔點數(shù) 其中，基準值是在無目標通過且無干擾的情況下、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸出電路電壓，波動值是在無目標通過而有干擾的情況下、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸出電路電壓，間隔點數(shù)是兩個基準值 之間的波動值數(shù)據(jù)的個數(shù)，一般不小于3。試驗表明穩(wěn)定性好的傳感器節(jié)點取間隔點數(shù)為 3-5，穩(wěn)定性較差的傳感器節(jié)點(例如在使用時間偏長的情況下)取間隔點數(shù)在5以上。例如，下表是磁阻傳感器在一個時間段內(nèi)采集到的磁阻輸出電壓信號數(shù)據(jù)(mv)， 基準值為64，波動值為63，這里在基準值64mv之間的波動值63mv只有兩個，根據(jù)間隔點數(shù) 一般不小于3的原則，因而這里的間隔點數(shù)取作3，最后計算得出閾值為0. 3mv。 (2)峰值轉(zhuǎn)換峰值轉(zhuǎn)換過程是將目標經(jīng)過傳感器時產(chǎn)生的信號，轉(zhuǎn)換成三值模式{+1，0，_1}，峰 值轉(zhuǎn)換的過程如下根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值將目標信號轉(zhuǎn)換為三值{+1，0，-1}模式 M(k)
Ak
c(A) > C(hreshotd
'^threshold
其他情況一個轉(zhuǎn)換過程的示例如附圖4所示。如果尖峰或波谷的幅度和持續(xù)時間達到設(shè)定 的閾值，尖峰或波谷的值被認為有效。實施例中將峰值轉(zhuǎn)換形成的向量維數(shù)統(tǒng)一確定為10，例如轉(zhuǎn)換過的峰值信號為 {+1，-1，0，_1，+1}，變換為{+1，-1，0，-1，+1，0，0，0，0，0}，即不足夠10位時，后面位置填充
0值。這樣便于計算和統(tǒng)一向量維數(shù)，也可確定為其它長度。(3)樣本庫構(gòu)造
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利用峰值轉(zhuǎn)換模式，將采集的目標實際信號轉(zhuǎn)換成峰值模式，通過試驗建立樣本 庫。對于雙軸磁阻和微震動傳感器，建立的目標樣本特征信號的示例如下表 (4)特征識別特征識別是將目標產(chǎn)生的實際信號和目標類別的標準特征信號進行比較R = c1-cbl| + |c2-cb2|+- + |c10-cbl0當(dāng)采樣到目標的復(fù)合信號時，將此作為識別特征，與標準特征信號中的相應(yīng)向量 進行比較，算出它們之間的距離，再將各距離之和相比較。哪個距離之和最小，則將它所對 應(yīng)的標準特征的目標類型作為識別結(jié)果。舉例來說，對目標的磁阻信號而言，設(shè)某一節(jié)點采集的磁阻信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后為 {+1，-1，+1，-1,0, -1，+1，0，0，0}，用上式與各輪式車輛的磁阻信號標準模型比較可得1、 型車=4，R客車=11，R大醉=1，則R大醉值最小，則判定該目標為大型車。針對兩種復(fù)合傳感器產(chǎn)生的目標信號，假設(shè)禮表示磁阻信號的計算結(jié)果，R2表示 微震動信號的計算結(jié)果，綜合計算這兩種傳感器產(chǎn)生的數(shù)值之和(Ri+R2)。如果某種目標類 型對應(yīng)的綜合數(shù)值之和(Ri+R2)最小，則將它所對應(yīng)的標準特征的目標類型作為分類結(jié)果。另外，還可采用更簡捷的方式來綜合這兩種傳感器產(chǎn)生的目標實際信號，實現(xiàn)目 標分類當(dāng)傳感器節(jié)點完成對某一目標的探測結(jié)果后，首先將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成峰值模 式(包括磁阻和微震動信號)，將峰值模式的微震動信號與已建立的目標識別標準集進行 比較，通過微震動信號的比較，直接確定出該目標是人員、輪式車輛還是履帶式車輛，然后 匹配檢測采集的磁阻信號，從而進一步確定出目標所屬的具體類別。在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點采用11520Baud/s的波特率與監(jiān)測中心的計算機之間 傳輸數(shù)據(jù)，以Excel數(shù)據(jù)庫表格文件的形式在后臺保存數(shù)據(jù)。雙軸磁阻傳感器和微震動傳 感器集成在一個終端節(jié)點，將探測節(jié)點放置在路邊，放置位置與道路方向或其垂直方向相 一致，節(jié)點與目標的垂直距離不超過3米。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)基站節(jié)點與監(jiān)控中心的管理 計算機位于同一地點。采樣頻率設(shè)置為20Hz，即每秒采集兩種傳感器的信號數(shù)據(jù)為20次。 這里考慮對單個目標進行分類識別，不考慮多個運動目標同時通過探測節(jié)點的情形。實際 系統(tǒng)運行可靠，數(shù)據(jù)采樣過程平穩(wěn)，及時地輸出所經(jīng)過目標的類型。試驗中采集運動目標信號的起始時間確定如下①當(dāng)運動目標接近傳感器探測節(jié)點時，磁阻傳感器才能采集到含金屬體移動所引起的磁場擾動量，在目標離去時磁阻擾動過程復(fù)位正常，因而根據(jù)磁傳感器的靈敏度和目 標類型，確定目標與傳感器節(jié)點的距離約為3-5米的范圍。由于磁阻傳感器的探測距離有 限，如果磁阻傳感器采集頻率為20Hz，只在這個有限的距離內(nèi)，磁阻傳感器才能采集到有效 的目標磁阻信號，這也是磁阻傳感器的有效探測時間。②由于微震動傳感器的作用距離遠，譬如在堅硬的地面上傳輸?shù)奈⒄饎有盘栠_到 300米，考慮兩種復(fù)合傳感器的共同作用效果，只收集磁阻傳感器作用距離范圍之內(nèi)的運動 目標產(chǎn)生的微震動信號，這個距離通常也就是上述的3-5米。微震動傳感器以20Hz的頻率 采集微震動信號，盡管在距離較遠時就已經(jīng)感知到信號輸出，這里選取采集的有效微震動 信號的時間范圍，限定在運動目標經(jīng)過節(jié)點附近時，即磁阻傳感器有效感知的時間和距離 之內(nèi)。由于節(jié)點距離目標越近，微震動信號越強烈，因而這種做法具有科學(xué)性。附圖5是武裝人員(或攜帶金屬體的人員)的一個磁阻信號特征樣本示例，附圖6 是武裝人員(或攜帶金屬體的人員)的一個微震動信號特征樣本示例，這兩個示例直觀和 清楚地反映了這類目標的磁阻信號與微震動信號的特征。在這兩個附圖中，橫坐標均為采 樣時刻(ms)，縱坐標均為傳感器輸出電壓(mv)。目標產(chǎn)生的兩種原始信號，在經(jīng)過轉(zhuǎn)換后， 產(chǎn)生和形成三值形式{+1，0，-1}的峰值信號。在部分試驗中統(tǒng)計樣本的小型車通常是小轎車，客車主要是公交車，大型車是常 見的大型運貨車，履帶式車輛以履帶式推土機和挖掘機作為試驗對象。部分統(tǒng)計試驗結(jié)果 如下表所示，正確率能維持在80%以上。
通過外場試驗表明，本方法可用于識別關(guān)鍵路段上的目標類型，分類識別的正確
率比較高。由于各種傳感器自身的物理局限性，根據(jù)少量信息源不可能達到100%的目標識 別正確率。因此在必要的時候和應(yīng)用場合，還可借助聲響、紅外等其它傳感器對目標的實際 信號進行采集，對多種信息源進行融合處理，能進一步提高目標分類識別的正確率。以上所述為本發(fā)明較佳的主要實施過程，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；凡是 依本發(fā)明所作的等效變化和修改，也為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
一種基于復(fù)合傳感器自組網(wǎng)的運動目標分類識別方法，特征在于無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在部署完畢后，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過對地面運動目標實際產(chǎn)生的磁阻信號和微震動信號的采集，提供目標分類識別的功能；根據(jù)目標的磁阻和微震動信號的復(fù)合特征，將常見的地面運動目標分類為徒手人員、武裝人員(或攜帶金屬體的人員)、小型車輛、客車、大型車輛和履帶式車輛六種類型；目標分類方法的操作步驟如下步驟一閾值設(shè)計閾值是通過預(yù)先試驗統(tǒng)計產(chǎn)生，計算方法如下其中，基準值是在無目標通過且無干擾的情況下、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸出電路電壓，波動值是在無目標通過而有干擾的情況下、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸出電路電壓，間隔點數(shù)是兩個基準值之間的波動值數(shù)據(jù)的個數(shù)；步驟二峰值轉(zhuǎn)換峰值轉(zhuǎn)換過程是將運動目標經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時產(chǎn)生的實際信號，轉(zhuǎn)換成三值模式{+1，0，-1}；將運動目標經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時產(chǎn)生的實際信號的變化率與閾值進行比較，如果為正且大于閾值，則特征化為+1；如果為負且數(shù)量上大于閾值，則特征化為-1；如果斜率的數(shù)值小于或等于閾值，則特征化為0；步驟三樣本庫構(gòu)造通過試驗預(yù)先采集運動目標產(chǎn)生的磁阻信號與微震動信號的樣本，利用峰值轉(zhuǎn)換過程將這些樣本信號分別轉(zhuǎn)換成峰值模式，形成兩類標準特征信號，以此構(gòu)造目標特征的樣本庫，實現(xiàn)六類目標的區(qū)分①徒手人員，②武裝人員(或攜帶金屬體的人員)，③小型車輛，④客車，⑤大型車輛，⑥履帶式車輛；步驟四特征識別在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)執(zhí)行目標監(jiān)測任務(wù)時，只要運動目標經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的附近，這個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集組件就對運動目標產(chǎn)生的磁阻與微震動這兩種信號進行現(xiàn)場采集，將采集的兩類信號結(jié)果與樣本庫中的兩類標準特征信號分別進行比較，分別算出它們之間的距離，兩類距離相加求和，再比較何種目標類型的距離總和最小，則將最小距離總和的目標類型作為識別結(jié)果；所述的特征識別過程細節(jié)操作如下在采用標準特征信號進行目標類型的識別時，將運動目標現(xiàn)場產(chǎn)生的實際信號與樣本庫中的標準特征信號進行比較計算R＝|c1-cb1|+|c2-cb2|+…+|c10-cb10|其中，{c1，c2…c10}是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的運動目標現(xiàn)場產(chǎn)生的實際信號的三值模式數(shù)據(jù)，{cb1，cb2…cb10}是樣本庫中的標準特征信號的數(shù)據(jù)，R是這兩種數(shù)據(jù)之間的向量差值；當(dāng)每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集組件采集到目標的磁阻信號與微震動信號時，算出差值R；假設(shè)R1表示磁阻信號的差值比較結(jié)果，R2表示微震動信號的差值比較結(jié)果，這兩種信號的差值距離相加求和為(R1+R2)；如果某種目標類型對應(yīng)的綜合計算結(jié)果(R1+R2)的數(shù)值最小，則將它所對應(yīng)的標準特征信號的目標類型作為分類識別的結(jié)果；傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)測中心計算機負責(zé)收集目標分類識別的情況，并保存到數(shù)據(jù)庫。F2009101850784C0000011.tif
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于復(fù)合傳感器自組網(wǎng)的運動目標分類識別方法，通過對地面運動目標實際產(chǎn)生的磁阻和微震動信號的采集，完成目標分類識別功能。根據(jù)目標的磁阻和微震動信號的復(fù)合特征，將常見目標分類為徒手人員等六種類型。在部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上，首先確定兩種傳感器節(jié)點的目標感應(yīng)電壓閾值，然后將運動目標產(chǎn)生的特征信號轉(zhuǎn)換成三值信號模式即{+1，0，-1}，由試驗預(yù)先建立和構(gòu)造目標分類識別的樣本庫。在采集系統(tǒng)采樣到運動目標的兩種實際信號時，將它們與樣本庫中的標準特征信號進行比較，算出它們之間的距離，距離最小者對應(yīng)的目標類型作為分類識別的結(jié)果。方法的特點在于計算量小、實時性強、分類正確率高，用于多類運動目標的識別問題。
文檔編號H04W84/18GK101868045SQ200910185078
公開日2010年10月20日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者劉綦, 周強, 崔遜學(xué), 汪濤, 胡成, 邢立軍 申請人:中國人民解放軍炮兵學(xué)院