專利名稱：一種基于相關(guān)性的多傳感器協(xié)同目標(biāo)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種目標(biāo)檢測方法，尤其是一種多傳感器協(xié)同目標(biāo)檢測方法，屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目標(biāo)檢測是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用方向之一，例如在防入侵告警和緊急搜救應(yīng)用中，都需要對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否存在目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測。另外，目標(biāo)檢測也是其它一些應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，例如在戰(zhàn)場目標(biāo)監(jiān)測應(yīng)用中，首先必須檢測到目標(biāo)，進(jìn)而才能實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和跟蹤。衡量目標(biāo)檢測算法性能的主要指標(biāo)有檢測率、漏檢率和虛警率。檢測率是指檢測系統(tǒng)正確檢測到目標(biāo)的概率；漏檢率是指目標(biāo)存在，而檢測系統(tǒng)未檢測到目標(biāo)的概率；虛 警率是指目標(biāo)不存在，而檢測系統(tǒng)判決目標(biāo)存在的概率。一般而言，參與檢測的傳感器越多，采集的目標(biāo)信息越豐富，檢測的效果也就越好。但在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，目標(biāo)檢測受到能量開銷和通信帶寬的限制，需要對參與檢測的傳感器節(jié)點數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)控制。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)檢測對虛警率較為敏感，虛警率過高時會頻繁地觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)機(jī)制，不僅擾亂節(jié)點的休眠調(diào)度，還會因為虛假目標(biāo)信息的傳遞消耗大量的能量。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)檢算法應(yīng)在檢測率和能量開銷之間進(jìn)行權(quán)衡，并盡可能地降低虛警率。傳感器網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點的檢測能力十分有限，因此需要多個節(jié)點協(xié)同工作，以獲取更準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。協(xié)同目標(biāo)檢測通常需要將多個節(jié)點的檢測結(jié)果送到局部中心節(jié)點進(jìn)行融合處理，得出目標(biāo)是否存在的最終判決，因此本質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)融合問題?；跀?shù)據(jù)融合的目標(biāo)檢測方法可以分為兩大類基于測量值的融合和基于局部判決的融合。前者是指各傳感器節(jié)點將自己的原始測量值發(fā)送給中心節(jié)點，由中心節(jié)點作出融合判決；后者是指各傳感器節(jié)點按照給定的門限值作出局部判決，并將判決結(jié)果(O或I)發(fā)送給中心節(jié)點，由中心節(jié)點作出融合判決。現(xiàn)有的目標(biāo)檢測方法大多是基于局部判決融合的檢測方法，由于單個節(jié)點的局部判決易受噪聲干擾的影響，以此為基礎(chǔ)的融合檢測結(jié)果準(zhǔn)確性較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有目標(biāo)檢測方法存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于相關(guān)性的多傳感器協(xié)同目標(biāo)檢測方法(Relativity-based Multi-sensor Collaborative TargetDetection Method),簡稱 RMCTD。RMCTD方法的基本原理是各傳感器節(jié)點將一小段時間內(nèi)的測量值序列發(fā)送給局部中心節(jié)點，構(gòu)成一個檢測矩陣；檢測矩陣中的每一列為一個檢測向量，局部中心節(jié)點對檢測向量之間的相關(guān)性進(jìn)行計算和評估，從而判定目標(biāo)是否存在。RMCTD方法的理論依據(jù)是，若目標(biāo)存在，則測量值主要來自目標(biāo)，因此相鄰檢測向量的相關(guān)性較大；若目標(biāo)不存在，則測量值全部來自噪聲，由于噪聲的隨機(jī)性，相鄰檢測向量的相關(guān)性較小。RMCTD方法的工作流程是各傳感器節(jié)點獨立地對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信號進(jìn)行測量；若某個傳感器的測量值超出一定的門限，則觸發(fā)生成一個動態(tài)檢測簇；動態(tài)檢測簇生成完畢后，簇內(nèi)各成員節(jié)點將隨后一段時間內(nèi)的檢測值序列發(fā)送給簇頭節(jié)點，構(gòu)造一個檢測矩陣；簇頭節(jié)點對檢測矩陣中各檢測向量之間的相關(guān)性測度進(jìn)行計算和評估，從而判決目標(biāo)是否存在。RMCTD方法中，單個傳感器對目標(biāo)信號的測量方法如下如圖I所示,設(shè)傳感器節(jié)點位于s處，目標(biāo)時刻位于P1處,t2時刻運動到P2處，虛線圈表示目標(biāo)的信號場，如紅外輻射強(qiáng)度、聲音分貝值和震動強(qiáng)度等；傳感器節(jié)點以相同的采樣間隔T對目標(biāo)信號進(jìn)行測量，每一段采樣間隔時間稱為一個檢測窗口，相應(yīng)的檢測值記為 Qi，(i = I, 2, L, η) οRMCTD方法中，動態(tài)檢測簇的生成方法如下
I)傳感器節(jié)點設(shè)定一個協(xié)同檢測的觸發(fā)門限值7，其值為目標(biāo)不存在時若干個檢 測窗口的測量值均值，也可由系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定；2)若傳感節(jié)點在第I個檢測窗口的測量值滿足％ > q，則以乃=min{I，(q,-q)!q}
的概率發(fā)出協(xié)同檢測消息(Collaborative Detection Message, CDM);若傳感器節(jié)點在第1+1個檢測窗口的測量值依然滿足仏+1 >q，則該節(jié)點在第1+1個檢測窗口以累積增大的概率~ +(知-幻/^發(fā)送出CDM消息；依此類推，除非該節(jié)點收到其它節(jié)點發(fā)送的CDM消息或者在第Ι+k個檢測窗口的測量值不滿足仏> q ；3)若傳感器節(jié)點接收到其它節(jié)點發(fā)送的CDM消息，則立即放棄發(fā)送自己的CDM消息，并向消息源節(jié)點回復(fù)一個確認(rèn)消息，加入以消息源節(jié)點為簇頭的動態(tài)檢測簇，將后續(xù)若干個檢測窗口內(nèi)的測量值發(fā)送給簇頭節(jié)點。CDM消息的格式如圖2所不，主要包括SEQ> Node number、Cluster number和Forwarding hops等參數(shù)。一般情況下，F(xiàn)orwarding hops的默認(rèn)值為1，即動態(tài)檢測簇中的成員節(jié)點均為簇頭節(jié)點的一跳鄰居節(jié)點。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點密度較小，導(dǎo)致動態(tài)檢測簇中的成員節(jié)點數(shù)目偏少，則簇頭節(jié)點可以修改CDM消息中Forwarding hops的值,允許兩跳甚至多跳鄰居節(jié)點參與協(xié)同檢測。動態(tài)檢測簇的工作過程如圖3所示d節(jié)點為簇頭節(jié)點，a, b, c三個節(jié)點是簇內(nèi)成員節(jié)點；檢測過程中a，b，c節(jié)點將自己的檢測值發(fā)送給d節(jié)點；d節(jié)點融合多個傳感器節(jié)點的檢測值后做出最終判決，并將判決結(jié)果以多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式上報給控制中心。RMCTD方法中動態(tài)檢測簇的作用是組織傳感器節(jié)點對目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同檢測，并對參與檢測的節(jié)點數(shù)量進(jìn)行限制。動態(tài)檢測簇的生成具有隨機(jī)性和動態(tài)性，一旦本次檢測任務(wù)結(jié)束，則檢測簇自動解散。RMCTD方法中，檢測矩陣的構(gòu)造方法如下動態(tài)檢測簇生成完畢后，簇內(nèi)m個成員節(jié)點立即以固定的采樣間隔對目標(biāo)信號進(jìn)行測量，并將隨后一小段時間內(nèi)的測量值序列Qi = Iqil qi2 L qin} (i = 1,2, L，m)發(fā)送給簇頭節(jié)點，則m個檢測序列構(gòu)成的檢測矩陣可以表示為
Q] cIu q'2 L (ji Q= = q2' q22 L
L LLLL
_Qm _ JimX《m2 L Qmn _
其中，列向量qi = [qn q2i L qmi]T(i = l,2,L,n)為第i個檢測窗口的檢測向量。動態(tài)檢測簇內(nèi)的m個傳感器處于臨近區(qū)域內(nèi)，若目標(biāo)存在，則各傳感器的檢測值主要來源于目標(biāo)，由于一個檢測窗口內(nèi)目標(biāo)的移動距離有限，相鄰檢測窗口的檢測向量應(yīng)具有較強(qiáng)的相關(guān)性；若目標(biāo)不存在，則各傳感器的檢測值完全來源于測量噪聲，由于測量噪聲是隨機(jī)量，相鄰檢測窗口的檢測向量相關(guān)性較弱。根據(jù)這一特性，可以判決目標(biāo)是否存在。RMCTD方法中，基于相關(guān)性測度的融合判決方法如下兩個檢測向量的相關(guān)性大小稱為相關(guān)性測度，用符號P表示,取值區(qū)間為
。設(shè)Qi和q]為相鄰檢測向量，其相關(guān)性測度P i可用關(guān)聯(lián)分析中常用的夾角余弦cos Θ u來衡量，即
m
Pi =COSI^. = I--，O 彡 COS Θ U 彡 I
-Σ4
V k=] k=\cos Θ Jj的值越接近于I,說明qi與q」的相關(guān)性越強(qiáng)；cos Θ 的值越接近于O,說明Qi與q]的相關(guān)性越弱。當(dāng)檢測窗口的劃分?jǐn)?shù)量為η時，可得到η-l個相關(guān)性測度PiQ=1,2, L, η-l)。
I -1記歹=~設(shè)臨界夾角閾值為Θ C1(考慮到兩個檢測向量的最大夾角為
/7 — 1 /=1
90°，Qtl可取為45° )，iP<cos%時，表明n個檢測向量的相關(guān)性較低，此時判定目標(biāo)不存在；iy0 2cos6 。時，表明η個檢測向量的相關(guān)性較高，此時判定目標(biāo)存在。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于I、通過構(gòu)造動態(tài)檢測簇的方式組織傳感器節(jié)點對目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同檢測，可以有效控制參與檢測的傳感器數(shù)量，在保證檢測性能的前提下降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量開銷。2、RMCTD方法是一種基于測量值的融合檢測方法，不需要傳感器節(jié)點進(jìn)行局部判決，可以有效抑制噪聲干擾對融合判決結(jié)果的影響，檢測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確率。


圖I :單個傳感器對目標(biāo)信號的測量圖2:CDM消息的格式圖3 :動態(tài)檢測簇工作示意圖
具體實施例方式下面參照附圖并結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本實施例提供一個采用本發(fā)明方法的多傳感器協(xié)同目標(biāo)檢測實例。傳感器節(jié)點采用克爾斯博公司生產(chǎn)的紅外傳感器節(jié)點，以一定區(qū)域內(nèi)的活動人員為檢測目標(biāo)。傳感器節(jié)點隨機(jī)均勻分布在面積為200mX200m的區(qū)域中，節(jié)點數(shù)量為45個，無線通信半徑為IOOm;噪聲為高斯噪聲，臨界夾角Qtl設(shè)置為45°，檢測窗口長度T設(shè)置為IOms 200ms ;人員最大移動速度為8m/s。
參照圖I和圖3，本實施例的具體過程如下I)各傳感器節(jié)點獨立地對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信號進(jìn)行測量，并設(shè)定一個協(xié)同檢測的觸發(fā)門限^2)若傳感節(jié)點在第I個檢測窗口的測量值滿足％ >7，則以乃=min{l，(&-歹)/巧的概率發(fā)出協(xié)同檢測消息CDM;若傳感器節(jié)點在第1+1個檢測窗口的測量值依然滿足qM > ^，則該節(jié)點在第1+1個檢測窗口以6+| =1^{1，(仏-幻/^: + (仏+1-幻/訂的概率發(fā)送出CDM消息；依此類推，除非該節(jié)點收到其它節(jié)點發(fā)送的CDM消息或者在第Ι+k個檢測窗口的測量值不滿足;3)若傳感器節(jié)點成功發(fā)送出CDM消息，并且收到其它節(jié)點回復(fù)的確認(rèn)消息，則該節(jié)點成為動態(tài)檢測簇的簇頭；若傳感器節(jié)點收到其它節(jié)點發(fā)送的CDM消息，則放棄發(fā)送自 己的CDM消息，并向消息源節(jié)點回復(fù)一個確認(rèn)消息，加入以消息源節(jié)點為簇頭的動態(tài)檢測簇；4)動態(tài)檢測簇生成完畢后，簇內(nèi)m個成員節(jié)點將后續(xù)η個檢測窗口內(nèi)的測量值發(fā)送給簇頭節(jié)點，構(gòu)造一個mXn的檢測矩陣；5)簇頭節(jié)點對檢測矩陣中η-l組相鄰檢測向量之間的相關(guān)性測度P i(i = 1，2，
L，η-l)進(jìn)行計算，并得到η-l個相關(guān)性測度的均值P = f A > cos45° =4，則判決目
(=1 2
標(biāo)存在，否則判決目標(biāo)不存在；6)簇頭節(jié)點將判決結(jié)果反饋給簇內(nèi)成員節(jié)點，并上報給數(shù)據(jù)中心，隨后動態(tài)檢測簇自動解散，各傳感器節(jié)點回到步驟I)中的工作狀態(tài)，獨立地對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信號進(jìn)行檢測。
權(quán)利要求
1.一種基于相關(guān)性的多傳感器協(xié)同目標(biāo)檢測方法，其步驟為 1)各傳感器節(jié)點獨立地對監(jiān)測區(qū)域中的信號進(jìn)行測量，若某個檢測窗口的測量值超出預(yù)先設(shè)定的門限7，則觸發(fā)生成一個動態(tài)檢測簇，由簇頭節(jié)點和簇內(nèi)成員節(jié)點組成； 2)簇內(nèi)成員節(jié)點將一段時間內(nèi)的檢測值序列發(fā)送給簇頭節(jié)點,構(gòu)成一個檢測矩陣； 3)簇頭節(jié)點對檢測矩陣中相鄰檢測向量之間的相關(guān)性測度進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果判決目標(biāo)是否存在； 4)簇頭節(jié)點將判決結(jié)果反饋給簇內(nèi)成員節(jié)點和數(shù)據(jù)中心后，動態(tài)檢測簇自動解散。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于動態(tài)檢測簇的生成方法如下 1)若傳感節(jié)點在第I個檢測窗口的測量值滿足％>〒，則以乃=1^1^1，(仏-幻/^的概率發(fā)出協(xié)同檢測消息CDM ； 2)若傳感器節(jié)點在第1+1個檢測窗口的測量值依然滿足知、>q，則該節(jié)點在第1+1個檢測窗口以Pm =11^11{1,(%-幻/7 + (9/+1-7)/訂的概率發(fā)送出CDM消息； 3)依此類推，除非該節(jié)點收到其它節(jié)點發(fā)送的CDM消息或者在第Ι+k個檢測窗口的測量值不滿足>歹； 4)若傳感器節(jié)點成功發(fā)送出CDM消息，并且收到其它節(jié)點回復(fù)的確認(rèn)消息，則該節(jié)點成為動態(tài)檢測簇的簇頭，向該節(jié)點發(fā)送確認(rèn)消息的節(jié)點為簇內(nèi)成員節(jié)點； 5)若傳感器節(jié)點收到其它節(jié)點發(fā)送的CDM消息，則放棄發(fā)送自己的CDM消息，并向消息源節(jié)點回復(fù)一個確認(rèn)消息，加入以消息源節(jié)點為簇頭的動態(tài)檢測簇。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于CDM消息包含消息序列號(SEQ)、節(jié)點編號(Node number)、族頭編號(Cluster number)和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)(Forwarding hops)等參數(shù)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于動態(tài)檢測簇生成完畢后，簇內(nèi)m個成員節(jié)點將隨后一段時間內(nèi)的檢測值序列Qi = {qn qi2 L qin} (i = 1,2, L, m)發(fā)送給簇頭節(jié)點,構(gòu)造一個檢測矩陣
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于檢測矩陣Q中的每一列qi=[Qli q2i L qffli]T(i = 1,2, L, n)為一個檢測向量,共有n-1組相鄰檢測向量。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于任意一組相鄰檢測向量qi= [qn q2i L qmi]T和q」=Lqlj q2J L qmJ]T的相關(guān)性測度計算方法為
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于目標(biāo)是否存在的判決方法為計算η-l組相鄰檢測向量的相關(guān)性測度均值
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多傳感器協(xié)同目標(biāo)檢測方法，其特點是傳感器節(jié)點獨立地對監(jiān)測區(qū)域中的信號進(jìn)行測量，當(dāng)某個傳感器節(jié)點的測量值超過預(yù)先設(shè)定的門限時，觸發(fā)生成一個動態(tài)檢測簇；簇內(nèi)成員節(jié)點將一段時間內(nèi)的檢測值序列發(fā)送給簇頭節(jié)點，構(gòu)成一個檢測矩陣；簇頭節(jié)點對檢測矩陣中檢測向量之間的相關(guān)性測度進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果判決目標(biāo)是否存在。本發(fā)明提供的目標(biāo)檢測方法是一種基于測量值的融合檢測方法，不需單個傳感器節(jié)點進(jìn)行局部判決，可以有效抑制噪聲干擾對判決結(jié)果的影響，檢測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。本發(fā)明可用于重要場所和區(qū)域的防入侵告警、突發(fā)災(zāi)害下的人員搜救以及交通管制等方面。
文檔編號H04W84/18GK102781032SQ20111012565
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者朱愛紅, 李連, 蘇濤, 蔣文濤 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院