专利名称：大范围战场态势智能感知系统及感知方法
大范围战场态势智能感知系统及感知方法
技术领埤
本发明涉及无线传感网络智能感知系统及方法，尤其是指利用分布式多视频多跳无线 传感器网络，实现多目标检测、分类、定位与跟踪的大范围战场态势智能感知系统和方法。 肖絨*
在战场环境中，对战场态势的把握起着相当重要的作用，如果信息收集处理不及时或 不适当，就有可能失去主动权，造成极其重大的损失。因此战场态势感知系统是十分必要 的，针对战场环境的紧急性、突发性、大范围性及易损伤性，要求战场态势感知系统能够 快速部署，进行大范围多目标监视，且获取信息准确、实时，同时，抗打击能力强、支持 多终端接入也是战场环境所必须的。这已成为业界亟待解决的问题。 飼^
本发明的目的是在于针对现有技术的不足，提供一种大范围战场态势智能感知系统及 感知方法，主要解决大范围战场环境下，利用多跳无线传感网络进行多目标识别、分类与 定位，达到实时精确信息获取，把握战场态势。
为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是
大范围战场态势智能感知系统由无线传感网与终端接收装置组成。无线传感网由无线 传感器结点自组织构成，各结点包含处理器模块、存储模块与无线通信模块，集成有GPS 模块、电子罗盘模块、激光测距模块以及多个视频采集模块。无线传感器结点通过视频采 集模块进行运动检测、目标识别及分类，然后进行目标测距，定出目标经纬度信息，并在 网内多跳传播。各传感器协同工作，完成对战场态势的感知。终端接收装置通过多跳无线 传感网络实时收集战场态势信息并转化为二维平面图像显示。
与现有技术相比，本发明大范围战场态势智能感知系统的有益效果是 本系统中无线传感网络采用多跳自组织形式构建，适合大范围环境下部署，同时由于 可以通过空降等方式进行部署，可实现系统的快速部署。另外，本系统采用无线传感器作 为信息采集、处理与传播的设备，省去了布线开销，同时作为独立的整体，传感器也十分 方便安置，适合于战场及各种复杂地形环境。以此为基础，每个无线传感器集成多个视频 采集模块，增大了监视范围，适合多目标同时监视；而且在每个传感器上均集成GPS模块、 电子罗盘模块及无线传输模块，可以获得位置信息和朝向信息，并通过无线多跳网络交换 信息，从而更快速、准确地进行目标识别、分类、定位与跟踪。此外，本系统采用了分布 式无线传感网络，不存在中心结点，若干传感器结点受损后，整个系统仍能继续工作，同 时也可以动态及时的增补无线传感器结点，增强了系统的抗打击能力及可扩充性。各传感 器在获取到视频信息后，本地进行计算，最后在网络中传输的信息仅包含目标类型、标识， 目标位置及时间，占用带宽少，对终端处理能力要求较低，多个终端可以同时接入，获取 目标信息并显示二维轨迹.另外，本系统中各无线传感器结点实时计算、传输战场目标信 息，多个传感器之间可以利用其它传感器提供的信息，对目标进行快速识别及多次确认， 提高了信息的实时性与准确性.最后，本系统可以通过设定特征库，实现对多种类物体的 识别与分类，如装甲车、坦克及单兵，可扩展性好。200710121584.8
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总之，本发明具有大范围多目标检测、快速部署、实时精确信息获取、抗打击能力强、 支持多终端接入、扩展性强等特点，在各类民用及军用应用中具有广阔的市场前景和应用 价值。在军事方面可以用于战场态势感知、目标入侵检测及反侦察等，在民用方面可以实 时动态进行应急突发事件处理，如救灾现场等。
图l是无线传感器结点模块图2是一类信息格式；
图3是二类信息格式；
图4是多无线传感器协作流程图
图5是无线传感器结点目标识别、分类及信息处理流程图
图6是无线传感器结点接收信息处理流程图
图7是本发明大范围战场态势智能感知系统原理图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明在一定范围内布置若干无线传感器结点，自组织构建多跳无线传感网络，再将 若干终端接收装置接入无线传感网络。如图1所示，每个传感器结点包含处理器模块、存 储模块与无线通信模块，每个传感器结点均集成有GPS模块、电子罗盘模块、激光测距模 块以及多个视频采集模块，各传感器通过自身功能模块可以获取其位置和方向信息。其中 处理器模块用于对数据进行处理存储模块用于存储数据无线通信模块用于与终端接收 装置及无线传感网内的其它无线传感器结点通信；GPS模块用于获得自身的位置及时间数 据；电子罗盘模块用于获得自身的方向数据；视频采集模块用于采集目标的图像激光测 距模块用于获得目标距自身的距离以上各模块与处理器模块相连，无线传感器结点通过 以上功能模块获取自身位置和方向数据并能对目标进行定位各无线传感器结点通过接受 其它无线传感器结点发送的信息并向网络发送信息的方式协同工作，完成对战场态势的感 知终端接收装置接入无线传感网络，实时收集战场态势信息并转化为二维平面图像显示。
系统中主要有两类信息， 一类信息如图2示，包括4部分(1)位置，描述目标的经 纬度位置信息；(2)时间，描述此目标在目标位置的时刻(3)源传感器，指发送此信息 的源结点，具体包括源结点标识及源结点位置信息(4)目标特征描述，对目标的具体描 述，如类别、颜色、位置及速度等信息。二类信息如附图3示，包括3个部分(1)目标， 具体包括目标的类型与标识(2)位置，描述目标的经玮度位置信息(3)时间，描述此 目标在目标位置的时刻。结点采用不同机制处理两类信息的构造与发送当结点时空相关 目标信息库更新后，将构造相应一类信息并广播而二类信息则由结点周期性构造并广播。 在构造发送自身信息的同时，结点也为其它结点转发信息，以实现无线多跳网络。
每个传感器结点上均维护两种目标信息特征库(1)静态特征库，是指初始预设的特 征库，目标分多少类，各类的特点如何，都是静态特征库设定好的。各传感器根据设定的 静态特征库，对由视频采集模块捕获的信息进行运动检测、目标识别、目标分类，然后进 行目标定位计算，给出目标的经纬度位覽。(2)时空相关目标信息库，是在系统运行过程 中动态生成、更新和维护的目标信息库，包括该传感器结点所捕获、识别及分类的目标信 息。结点发现目标后，首先根据静态特征库进行信息处理及提取，然后将目标信息(分类，
位置信息及目标特征)添加到时空相关目标信息库，在此后系统运行过程中，时空相关目标 信息库将由本结点及网内一类信息共同更新维护，并以一类信息的方式向网内发送。 请参阅图4，该系统通过以下步骤感知大范围战场态势
1) 无线传感器结点通过视频采集模块对目标进行运动检测、目标识别及分类
2) 无线传感器结点通过GPS模块、电子罗盘模块、激光测距模块对目标进行测距，得 出目标的位置和时间信息
3) 无线传感器结点将以上信息构建信息包，通过无线通信模块传播到无线传感网上
4) 其它无线传感器结点收到网上传播的信息后，重复步骤l)-步骤3),在网内进行 多跳传播
5) 终端接收装置从无线传感网上实时收集各无线传感器结点发送的战场态势信息，并 转化为二维平面图像显示。
在以上方法中，无线传感器结点根据设定的特征库，对由视频采集模块捕获的信息进 行运动检测、目标识别、目标分类，然后进行目标定位计算，给出目标的经玮度位置，构 建信息包并在网内多跳传播。各传感器协同工作，不断交换、发送信息，完成对战场态势 的感知。终端接收装置接入无线传感网络，实时收集战场态势信息并转化为二维平面图像 显示。
其中在歩骤1)中，传感器结点根据设定的静态特征库，对由视频采集模块捕获的 目标进行运动检测、目标识别、目标分类在步骤2)中，传感器结点对目标进行定位计 算，得出目标的位置，传感器结点在发现目哮后即更新时空相关目标信息库在步骤3) 中，传感器结点向网内发送一类信息和二类信息。上述无线传感器结点对目标进行识别、 分类及信息处理的流程见图5。在图5中，结点A表示发送结点，结点B表示中间接收结 点。结点A通过视频检测模块进行区域检测，通过运动检测技术(通过连续视频帧之间变化 找出运动区域)提取出运动目标。当发现存在运动目标，则根据静态特征库信息进行目标识 别与分类，然后利用激光测距模块对锁定目标进行测距，同时根据本结点GPS提供的位置 信息及电子罗盘提供的角度信息计算目标^。之后更新时空相关目标信息库，并构造相 应的一类信息在网内广播。结点B接收到结点A所发送的一类信息后将激活时空相关目标 信息库更新信号，更新信号促使结点根据时空相关目标信息库内容进行目标快速识别、分 类与定位。然后根据结点自身判别结果对时空相关目标信息库内容进行目标信息修正、确 认与更新等操作。最后，构造相应一类信息在网内广播。
传感器结点在接收到一类信息后要更新自身时空相关目标信息库，流程如附图6示。 传感器结点接收到网内信息后，首先判断信息种类，如果是二类信息则判断时间差是否大 于时间阈值，如大于则丢弃此信息，否则转发此二类信息。如果是一类信息，则按一类信 息格式提取相关信息，首先判断源发送结点是否为自身，如是则丢弃信息，进一步判断时 间差是否大于时间阈值，如大于则丢弃此信息，否则进一步判断源发送结点与自身距离是 否大于阈值，如大于则丢弃。如经判断发现这条一类信息没有超时也在其有效范围内，则 根据此信息更新自身时空相关目标信息库，并转发此信息。各传感器通过两类信息及两类 信息目标信息特征库协同工作，完成对目标的识别、分类、定位与跟踪。终端通过无线接 入网络，实时收集二类信息并显示二维目标轨迹，
下面介绍本发明的一个实施例。
图7所示为一种大范围战场态势智能感知系统，包括无线传感网(无线传感器结点自组 织构成，本实施例中以S1到S5示意)与终端接收装置(本实施例中以Z1示意)。上述无线 传感器结点始终处于激活状态，对所要监视的场景区域的进行不间断监视。如图7所示， 在一个长宽均为3公里的战场环境中安置若干无线传感器结点，构建无线传感网络，各传 感器结点可以根据GPS模块获取位置信息，根据电子罗盘获取方向信息。
某时刻，目标T1与T2进入S1监视范围，以T1为例说明，首先S1通过运动检测发现 移动目标，根据其静态特征库对此目标进行目标识别、目标分类，通过激光测距模块得到 目标相对本结点的距离，进而根据本结点GPS信息计算出目标经纬度。经过分析判定此目 标为坦克，标号为001,同时对其颜色等相关特征进行提取。由上述信息构建一类信息(如 图2示)及二类信息(如图3示)。一类信息内容为目标位置及其时刻，无线传感器结点 的标识与位置，还包括目标其它特征，此处为颜色信息，作用是为其它传感器结点提供信 息。接着，传感器结点将根据此信息将目标信息(分类，位置信息及目标特征)添加/更新到 时空相关目标信息库，同时将此一类信息通过无线通讯模块广播。二类信息内容为目标位 置、时刻及目标类型与标识，作用是为终端提供信息，通过无线通讯模块周期性进行广播。
由图7知，无线传感器结点S2与S3是S1的一跳邻居。下面以S3为例说明，当S3接 收到S1发送的一类信息后，按一类信息格式提取相关信息，首先判断源发送结点是否为自 身，如是则丢弃信息，此处为Sl,进一步判断时间差是否大于时间阈值，如大于则丢弃此 信息，否则进一步判断源发送结点与自身距离是否大于阈值，如大于则丢弃。S3经判断发 现这条一类信息没有超时也在其有效范围内，因此根据此信息更新自身时空相关目标信息 库，并转发此信息，同时激活更新信号。更新信号促使S3根据时空相关目标信息库内容进 行目标快速识别、分类与定位。根据Sl提供的目标feg信息，S3可以快速发现目标。根 据目标特征快速进行识别、分类及定位，然后重复S1的步骤进行信息库更新及一类信息广 播。
当S3接收到S1发送的二类信息后，只需判断时间差是否大于时间阈值，如大于则丢 弃此信息，否则转发此二类信息。终端Z1接入到此无线传感网络中，实时接收二类信息， 解析信息内容并在屏幕上显示为二维的目标轨迹.如短时间间隔内接收到多个二类信息后， 以时间信息为第一优先级，源传感器与目标距离为第二优先级进行解析处理。
综上所述，本发明完成了大范围战场环境多目标识别、分类及定位，通过无线传感网 进行多跳信息传播，终端接收装置实时收集处理信息，解析为二维目标轨迹*
上述终端接收装置可有多种形式，包括特定的接收显示终端、安装有接收处理软件的 计算机或个人数字助理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润 饰也应视为本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种大范围战场态势智能感知系统，其特征在于它包括无线传感网与终端接收装置，其中无线传感网由无线传感器结点自组织构成；每个无线传感器结点包含以下功能模块处理器模块，用于对数据进行处理；存储模块，用于存储数据；无线通信模块，用于与终端接收装置及无线传感网内的其它无线传感器结点通信；GPS模块，用于获得自身的位置及时间数据；电子罗盘模块，用于获得自身的方向数据；视频采集模块，用于采集目标的图像；激光测距模块，用于获得目标距自身的距离；以上各模块与处理器模块相连，无线传感器结点通过以上功能模块获取自身位置和方向数据并能对目标进行定位；各无线传感器结点通过接受其它无线传感器结点发送的信息并向网络发送信息的方式协同工作，完成对战场态势的感知；终端接收装置接入无线传感网络，实时收集战场态势信息并转化为二维平面图像显示。
2. 如权利要求1所述的大范围战场态势智能感知系统，其特征在于所述无线传感网 由所述无线传感器结点通过无线多跳自组织构成。
3. —种感知大范围战场态势的方法，其特征在于它包括以下步骤1) 无线传感器结点通过视频采集模块对目标进行运动检测、目标识别及分类2) 无线传感器结点通过GPS模块、电子罗盘模块、激光测距模块对目标进行测距， 得出目标的位置和时间信息；3) 无线传感器结点将以上信息通过无线通信模块传播到无线传感网上4) 其它无线传感器结点收到网上传播的信息后，重复步骤l)-步骤3),在网内进 行多跳传播5) 终端接收装置从无线传感网上实时收集各无线传感器结点发送的战场态势信息， 并转化为二维平面图像显示。
4. 如权利要求3所述的感知大范围战场态势的方法，其特征在于 无线传感器结点采用广播方式在网内多跳传播发送信息。
5. 如权利要求3所述的感知大范围战场态势的方法，其特征在于 每个传感器结点上均维护静态特征库和时空相关目标信息库,静态特征库是初始预设的特征库，静态特征库中设定目标的分类及各类的特点，时空相关目标信息库是在系统运行过程中动态生成、更新和维护的目标信息库，时空相关目标信息库中包括该传感器结点 所捕获、识别及分类的目标信息在步骤l)中，传感器结点根据设定的静态特征库，对由视频采集模块捕获的目标进 行运动检测、目标识别、目标分类在步骤2)中，传感器结点对目标进行定位计算，得出目标的位置，传感器结点在发 现目标后即更新时空相关目标信息库在步骤3)中，传感器结点向网内发送一类信息和二类信息，所述一类信息包括目标 的位置、目标在目标位置的时刻、结点自身的标识及位置、目标特征描述信息，所述二类 信息包括目标的位置、目标在目标位置的时刻、目标的类型与标识；在步骤4)中，其它传感器结点在接收到一类信息后，首先要根据此一类信息更新自 身的时空相关目标信息库，并发送更新目标信息库的消息，然后再重复步骤1)-步骤3)， 其它传感器结点在接收到二类信息后，直接转发该二类信息。
6. 如权利要求5所述的感知大范围战场态势的方法，其特征在于 所述步骤4)进一步分为以下子步骤4. l)无线传感器结点收到网上传播的信息后，判断信息的种类，若是二类信息则转歩 骤4. 2)，若是一类信息则转步骤4. 3):4.2) 判断时间差是否大于时间阈值，如大于则丢弃此信息，否则转发此二类信息4.3) 判断源发送结点是否为自身，如是则丢弃此信息4.4) 进一步判断时间差是否大于时间阈值，如大于则丢弃此信息；4.5) 进一步判断源发送结点与自身距离是否大于阈值，如大于则丢弃此信息4.6) 根据此信息更新自身的时空相关目标信息库；4.7) 将此信息在网内发送，同时激活更新信号，重复步骤l)-步骤3)。
7. 如权利要求3-6之一所述的感知大范围战场态势的方法，其特征在于多个终端接 收装置可以同时接入无线传感网，实时绘制目标二维轨迹图并给出目标标识、类型、位置 及时间信息。
全文摘要
本发明公开了一种大范围战场态势智能感知系统，包括无线传感网与终端接收装置。无线传感网由无线传感器结点自组织构成，各结点包含处理器模块、存储模块与无线通信模块，集成有GPS模块、电子罗盘模块、激光测距模块以及多个视频采集模块。无线传感器结点通过视频采集模块进行运动检测、目标识别及分类，然后进行目标测距，定出目标经纬度信息，并在网内多跳传播。各传感器协同工作，完成对战场态势的感知。终端接收装置通过多跳无线传感网络实时收集战场态势信息并转化为二维平面图像显示。本发明具有大范围多目标检测、快速部署、实时精确信息获取、抗打击能力强、支持多终端接入、可扩展性强等特点，在各类军用及民用应用中具有广阔的市场前景和应用价值。
文档编号G08C17/00GK101174356SQ20071012158
公开日2008年5月7日 申请日期2007年9月10日 优先权日2007年9月10日
发明者威 吴, 忠 周, 张兆丰, 靖 曹, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学