沙地直线

“沙地直线”传感器网络系统的特征本文介绍了美军研制和试验称为“沙地直线”项目的大规模无线传感器网络系统，它的主要用途包括地面战场的目标探测、分类识别和跟踪。通过分析这一先进技术系统的特征，有助于我国军工企业研制相关信息采集装备和侦察系统，对提高信息化条件下的战场感知能力具有借鉴和参考作用。信息化战争要求“看得明、反应快、打得准”，谁在信息的获取、传输和处理上占据优势，取得信息权，谁就能掌握主动权。传感器网络以其独特的优势，能在多种场合满足信息获取的实时性、准确性和全面性的需求，可以协助实现有效的战场态势感知，满足知己知彼的要求。美国陆军在俄亥俄州开发了“沙地直线”(ALineintheSand)系统，这是一个用于战场探测的无线传感器网络系统项目。在国防高级研究计划局的资助下，这个系统能够侦测运动的高金属含量目标，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。沙地直线项目主要研究如何将低成本的传感器覆盖整个战场，获得准确的战场信息，从而以高度的精确性来看穿“战争迷雾”。由美国陆军研究实验室组织的战略评估研讨会认为：“依靠复杂的大功率传感器和通信是不切实际的。未来战场感知的资源可能是大量部署的简单和廉价的单个设备。当分布式探测系统的设备数目成千上万，或许上百万地增加时，必须极大地提高对组网和信息处理的重视程度。”本文通过追踪这一先进的技术系统，剖析沙地直线项目的研究和试验情况，希望有助于我国军工企业研制相关信息采集装备和侦察系统，对提高信息化条件下的战场感知能力具有借鉴和启发作用。一、沙地直线项目背景通常入侵检测是实际应用中非常重要的地面战场侦察监视问题，传感器网络技术可以很好地解决这一问题。沙地直线项目集成了协作式、具有感知、计算和通信能力的节点，替换了以前那种手工布置、稀疏分布、非网络式的感知系统，对已有的地面战场探测系统进行了彻底改进。利用沙地直线项目设计的系统和方案，可以协助人员非常方便地利用低功耗的传感器来覆盖战场区域。沙地直线项目主要研究传感器网络在侦察入侵检测方面的应用，以及目标分类和跟踪等问题。这种传感器网络系统具有密集型、分布式的特征。多种异构的传感器节点采用了松散连接的传感器阵列，提供现地探测、评估、数据压缩和发送信息的功能。他们专门对传感器技术、信号处理算法、无线通信技术、网络技术和中间件服务等关键技术进行了系列研究，整个试验工作在佛罗里达州坦帕市MacDill空军基地完成。二、项目需求沙地直线项目的目的是希望识别出入侵的物体或目标，入侵目标可以是徒手人员、携带兵器的士兵或车辆。该项目的主要功能包括目标探测、分类和跟踪。沙地直线项目研制的无线传感器网络节点，被命名为“超大规模微尘节点”(eXtremeScaleMote，简称XSM)。它的实物如图1所示(左边为正面，右边为背面)。这是一种具有特殊功能的传感器网络节点，技术含量高，能可靠、大范围地实施长久监视。(a)正面(b)背面图1XSM节点实物图通常战场探测需要系统区别出目标的出现与消失情况。正确的探测要求传感器节点能可靠地估计出目标的存在，在没有目标出现时避免错误检测。这里战场目标分类将目标分成平民、士兵和车辆三种，分类(classification)简记为C，它的关键性能指标是正确分类概率和错误概率，将平民或徒手人员(person)简记为P，将士兵或武装人员(soldier)简记为S，将车辆类目标(vehicle)简记为V。表1总结了沙地直线项目要求的传感器探测工作特性和战术技术指标。表2所示为目标分类要求的详细技术指标，其中垂直栏表示实际种类，水平栏表示要求的分类指标。这里C、P、S和V是上述的简记写法。对于分类混合矩阵来说，某一类目标的分类概率指标不能小于规定值；不同种类目标之间存在错误分类问题，它们之间有一个错误分类的上限概率，这就是表中符号所表达的含义。表1沙地直线项目的战技性能指标表2沙地直线项目的目标分类战技指标目标跟踪是当目标在传感器网络覆盖的区域内运动时，系统保持感知其位置。正确的跟踪需要系统以一定的准确度，在可接受的探测反应时间内估计出目标进入的初始点和当前位置。由于目标在传感器网络覆盖区域内移动，所以目标随时间移动的位置要能始终被跟踪记录。成功的跟踪要求系统能适度准确地判断出目标最初进入的位置、当前位置，而且允许有一定的探测反应时间。三、沙地直线项目的传感器选型传感器选型是无线传感器节点设计的一项基本工作。尽管可用的传感器类型很多，但是并不存在能直接探测所感兴趣的人、车辆的原始传感器。换句话说，这里采用混合型的传感器，探测目标的各种特征如热信号、铁磁信号等。当然，这种方法也是有缺陷的，因为多种不相关的探测现象可以产生无法确认的传感器输出结果。另外，实际探测信号里夹杂着各种噪声，这也限制了系统的使用效果。因此，目标探测的传感器选型是与信号探测、参数估计和模式识别相关联的。虽然选择合适的传感器组合能显著提高系统的性能，降低成本和延长网络化探测的生命期，然而传感器大量输出信息和处理信号需要耗费电能。例如，即使数十万像素的CMOS图像传感器能提供大量的信息，但是由于视觉处理算法需要运算的空间、时间和复杂度方面条件苛刻，会占用较多的计算和通信资源。这里阐述沙地直线项目用于探测上述三类目标的传感器模式，分析它们引起六种基本能量域(光、机械、热、电、磁、化学)方面的变化。首先确立目标现象，即潜在目标可能导致的环境扰动特征，然后确定出能探测这些扰动的一组传感器，从那些探测信号中提取出有意义的信息。沙地直线项目希望找出同类目标的相似特征，以区别于不同种类目标的相异特征值，从光、机械、热、电、磁、化学六个基本能量域来识别目标特征。(1)徒手人员徒手人员类型可以从热量、地震动、声音、电场、化学、视觉等方面扰动周围环境。人体的热量以红外能量方式向四周发散，因而能采用红外传感器进行感测。人的脚步可以引起地面自然频率回响的脉冲信号，这种共振信号是以阻尼振荡方式通过地面进行传播，因而可以采用微震动传感器收集震动信号。脚步声还能引起声音脉冲信号，并通过空气进行传播，它的传播速度不同于通过地面传播的地震动信号，但可以运用声响传感器收集这种脚步声信号。(2)武装人员持械士兵或武装人员可以具有一些徒手人员所不具备的信号特征。通常士兵应该持有枪支和其他含有铁质或金属的装备，因而士兵具有磁信号，这些磁信号是大多数徒手人员所不具有的。士兵的磁信号是由于铁磁质材料对周围地磁环境的扰动而产生的，因此这里采用磁阻传感器探测此类目标。(3)车辆车辆类型的目标可以从热量、地震动、声音、电场、磁场、化学、视觉等方面扰动周围环境。车辆与人员类似，会产生热信号特征，例如机车车头部分和尾气排气位置都会产生比周围温度高的现象。轮式和履带式的车辆具有能被探测到的震动和声波特征信号。特别是履带式车辆由于具有节奏的卡塔声和履带振动，具有非常明显的机械特征信号。车辆相对于武装人员而言，它们本身的金属物质含量大，可以更显著地影响周围某一区域的电磁场。另外，车辆的燃油燃烧时会释放化学物质，如一氧化碳、二氧化碳等。车辆也反射、散射和吸收光线信号。根据这些目标现象，沙地直线项目采取了相应的传感器进行探测车辆类型的目标。四、目标探测信号的检测沙地直线项目的信号处理子系统用来感知、检测、判断、分类和跟踪服务，主要完成信号检测和信号判断。信号检测是在感兴趣的信号出现时做出决定，信号判断是根据信号的相关参数做出判断。下面结合具体的传感器类型分析目标信号的检测技术。(1)声音传感器采用JL1型电子F6027AP麦克风声音传感器，它是声音子系统的核心部件。这种麦克风声音传感器的灵敏度是，响应频率在20Hz和16kHz之间。这种麦克风是高为2.5mm、地面直径为6mm的圆柱形状。选择这种传感器的原因在于它的灵敏性好、尺寸小、铅制终端、性价比高。(2)被动红外传感器采用KubeElectronics的C172型传感器，它是被动红外子系统的核心部件。该传感器包含两个相隔一定距离的热电感应元件和一个JFET放大器，放大器密封在封闭的金属盒内，自带一个光学滤波器。该传感器安装有一个圆锥形光学反射镜，因而不再需要其它的透镜设备。被动红外探测器是根据警戒区域内的背景和入侵者的身上辐射出的远红外能量差进行探测。这种传感器非常适合对人员和车辆的探测，对移动目标运动轨迹的探测来说，它具有低功耗、小尺寸、高灵敏性和低成本等特点。(3)磁传感器采用HoneywellHMC1052型磁阻传感器，作为磁感应子系统的核心部件，并建立基于磁偶极子信号的探测模型，用于检测判断士兵和车辆目标，提供分析结果。例如，坐标点()处存在一个运动的士兵或车辆，他(它)被认为是一个携带铁磁质的运动物体，可以视作为一个中心在()处的运动磁偶极子。如果坐标()可以相应地表示为、和，则磁偶极子的位置可描述为时间函数。(4)多普勒雷达传感器采用TWR-ISM-002脉冲多普勒传感器作为雷达平台。该传感器能探测半径为60英尺的活动范围，使用电位计可以把探测范围调整为较短的距离。根据当时使用的环境情况，还可以调整灵敏度，以适应嘈杂的环境。五、沙地直线项目系统的试验网络节点的封装问题研究人员考虑到对于入侵探测这种复杂环境的应用，传感器节点必须承受多种不利的环境，如风、雨、雪、洪水、炎热、寒冷和复杂地形等。传感器的封装能够保护这些元件中的精密电子元器件。封装性能的优劣也直接影响传感器的探测和无线通信功能。图2所示为沙地直线项目研制的传感器节点XSM的封装剖视图。它的塑料罩由一种不透明的红外材料制造，但每一个侧边可安装红外透过的观察孔，并且在每一个侧边有许多小孔允许声音信号被成功探测。传感器密封罩内安装的一种防水挡风玻璃，可以降低风和噪音的影响，保护电子元器件不受光照和雨淋。天线安装在电路板上，在密封罩的顶部露出长杆。图3密封形封装罩研究人员研制出以下系列的封装设备：密封罩、曲棍球冲压罩、锥形罩、简易检测罩、改进型检测罩，这里侧重分析前三种封装设备。(1)密封罩密封形的封装罩表面光滑，具有自动调整自身位置的能力，可以在节点位置或姿态变化时，仍然可以完成可靠的探测和无线通信功能(如图3所示)。这种罩体能使光线照到里面的太阳能电池板上。传感器节点的电子元器件安装在一个固定框架上，框架使用一种简单的万向节机械装置，连接在罩壳上。万向节机构绕着罩的长轴(横向轴)可以自由旋转。安装电池的一边在框架底部，安装太阳能电池的一边在框架顶部。当万向节机构在增加了圆柱形罩的转动自由度之后，可以增加雷达和无线电天线的水平性，从而使它们垂直于地面，太阳能电池板也可以直接面向天空，从而增加了节点的探测感应范围、无线通信范围和使用寿命。(2)曲棍球冲压罩图4曲棍球冲压罩剖视图图4所示为曲棍球冲压罩的剖视图，它由顶盖、罩身和底基组成。底基由立体圆柱和塑料块组成，密封装置底部的重量变重了，从而降低密封装置翻倒的可能性。底基有一个正方形孔存放电池，有一个圆柱状孔从电池部位伸出来。另外，还有一个圆柱状孔从音响器部位延伸出来，从而在底基的顶端处露出一个圆孔。这个小孔用作音响器与周围环境的声音波导、无线通信的导向孔。(3)锥形罩锥形罩的结构如图5所示，它具有自动调整姿态和位置的功能，节点可以像交通锥标的使用方式一样，从空中扔下，然后锥形罩自己调整姿态，保证它正面朝上，其中的磁力计也处于水平状态。虽然宽大的底基能避免锥形罩翻倒，但锥形罩的底基重量足够大，在可能发生的意外情况下出现翻倒时，仍能自正位，保证天线指向朝上。锥形罩的“悬垂钟摆”电路板由天线悬挂着，天线本身被装在锥形罩的顶部。假设锥形罩里的传感器节点电路板旋转范围在到之间，则它在倾斜电路板上产生的磁场变化量不会超过2-4%。这种锥形罩的设计方式对从无人驾驶飞机上抛撒无线传感器网络节点，具有启发作用。它可以做到自动抛撒后不用再管，在地面上由这些落地的传感器节点自动组网。尽管会有少数节点失效，但可以保证大多数传感器节点能够有效探测和无线通信，因而构建出完整的无线传感器网络。试验部署与实施沙地直线项目的研究人员先后在俄亥俄州和佛罗里达州等不同地方进行了试验。另外，在俄亥俄州