平面陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供的是一種采用平面陣列識(shí)別定位聲源三維坐標(biāo)的方法。基于球面波聲場(chǎng)模型，采用波束形成方法，以三維空間網(wǎng)格化后的網(wǎng)格交點(diǎn)作為重構(gòu)點(diǎn)，進(jìn)行不同距離的平面聲場(chǎng)重構(gòu)，比較沿距離方向（即z方向）上不同重構(gòu)面的波束形成器的輸出值，最大輸出值對(duì)應(yīng)的z軸坐標(biāo)，即確定為聲源的距離。最后根據(jù)聲源距離對(duì)應(yīng)的重構(gòu)面上波束形成器輸出的最大值點(diǎn)，確定聲源在x和y軸坐標(biāo)。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可用二維的平面陣列，識(shí)別聲源的三維坐標(biāo)，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的僅能識(shí)別聲源兩維坐標(biāo)的平面陣列聲全息設(shè)備上，實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證了該發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)方案的有效性和可靠性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)聲學(xué)、氣動(dòng)聲學(xué)、水聲學(xué)、信號(hào)處理、圖像處理、噪聲一振動(dòng)控制等交叉領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種采用平面陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的波束形成方法。
技術(shù)介紹
準(zhǔn)確識(shí)別定位飛機(jī)、高鐵、船舶及汽車(chē)等復(fù)雜系統(tǒng)的噪聲源是實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效降噪的前提，近年來(lái)，利用傳感器陣列對(duì)噪聲源精確地識(shí)別定位是一個(gè)重要的技術(shù)。目前常用的聲源識(shí)別定位方法有近場(chǎng)聲全息方法和波束形成的方法，近場(chǎng)聲全息方法對(duì)于中低頻率的聲源，特別是結(jié)構(gòu)噪聲源具有較高的空間分辨率。然而，當(dāng)聲源為高頻，且不能在聲源近距離進(jìn)行全息測(cè)量時(shí)，波束形成方法將成為一種有效的聲源識(shí)別定位方法。本專(zhuān)利技術(shù)應(yīng)用于聲源的識(shí)別定位，現(xiàn)有波束形成方法和技術(shù)的局限性有(1)需要人工提供傳感器陣列與聲場(chǎng)搜索面之間的距離，才能確定聲源在X和y方向的位置，由于提供的距離是人為估計(jì)的結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確定位事先未知聲源在三維空間中的真實(shí)位置；(2)無(wú)法自動(dòng)給出復(fù)雜對(duì)象及復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的聲源的分布狀況。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的就是在現(xiàn)有的2維波束形成的基礎(chǔ)上，智能地確定聲源在第三維z·方向上的位置。本專(zhuān)利技術(shù)提出的識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的波束形成方法，可應(yīng)用于任何傳聲器分布的、任何外輪廓形狀的平面陣列，由陣列面構(gòu)成測(cè)量面，在測(cè)量面節(jié)點(diǎn)上放置傳聲器接收信號(hào)。將整個(gè)三維聲場(chǎng)空間網(wǎng)格化，從某一初始的設(shè)定距離開(kāi)始，由平行于測(cè)量面的、由X和y方向構(gòu)成的聲場(chǎng)重構(gòu)面，根據(jù)各個(gè)傳聲器相對(duì)于重構(gòu)點(diǎn)的空間位置對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償后，加權(quán)求和輸出，依次進(jìn)行不同距離的聲場(chǎng)重構(gòu)，最終獲得整個(gè)三維空間的波束形成器的輸出，輸出響應(yīng)的最大值所對(duì)應(yīng)的空間位置即聲源坐標(biāo)。下面對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)方法做進(jìn)一步說(shuō)明。設(shè)定以M個(gè)傳聲器組成二維平面陣列，各傳聲器之間的間距滿(mǎn)足λ/2準(zhǔn)則，λ為聲波的波長(zhǎng)。以平面陣列軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，軸心附近的某一傳聲器為參考傳聲器，其坐標(biāo)為(x0, I0, Z0)，按如下步驟完成聲源三維坐標(biāo)的識(shí)別(I)設(shè)定初始聲場(chǎng)重構(gòu)面距平面陣列的距離Z=Ztl，截至距離ζΝ以及ζ方向的搜索步長(zhǎng)Δζ=^^，其中N為整數(shù)；(2)將X和y坐標(biāo)確定的聲場(chǎng)重構(gòu)面在感興趣的矩形區(qū)間內(nèi)進(jìn)行聲場(chǎng)網(wǎng)格化，假設(shè)共產(chǎn)生了 PXQ個(gè)節(jié)點(diǎn)；(3)將網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)即重構(gòu)點(diǎn)作為假定聲源的空間位置(X，y, z)，確定聲波傳播到不同傳聲器時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延。重構(gòu)點(diǎn)距參考傳聲器的距離為Ir I，其表達(dá)式為|r| = ^/(x-.r0)2+ (v — V0 )2+(z-z0)2第m個(gè)傳感器的坐標(biāo)為0^7111，2 1)，重構(gòu)點(diǎn)距第111個(gè)傳聲器的距離為I rm |，其表達(dá)式為_(kāi)4]KJ=V(x- xJ2+(y -凡)2+—)第m個(gè)傳聲器相對(duì)于參考傳聲器的時(shí)延表示為τ (rm)，其表達(dá)式如下r(r、=」(x-xm)2+(y-ym) + ~zm)2 ^λ](χ~χο)~+(y~}o) +(z~z0fq) mC其中c為介質(zhì)中的聲速；(4)波束形成的權(quán)向量為·c(x,>，,)= [l ... e—抑沖... e-^Mf(3)其中ω為聲源的角頻率，將整個(gè)搜索平面內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的波束形成的權(quán)向量組成3維矩陣 C(W) ··· C(W) ... C(Xl5^g3Z) · * ■ · ■ * * · ·C= C(xp,}\,) ··· C(xp，},9,二)…c(xp,yg,z)(4)_c(w)…c{xP,yq,z)…c(xP,yQ,=)_其中c(xp，yq, z)為節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)為(V yq, z)所對(duì)應(yīng)的波束形成的權(quán)向量。(5)將平面陣列上的傳聲器接收到的信號(hào)，按各個(gè)通道進(jìn)行快速傅立葉變換，選取感興趣的頻點(diǎn)，以公式(4)確定的波束形成的權(quán)向量進(jìn)行加權(quán)求和輸出，獲得聲場(chǎng)重構(gòu)面的波束形成輸出，表示為一個(gè)PXQ維的矩陣Bz(6)設(shè)定下一個(gè)搜索面距平面陣列的距離ζ=ζ+Λζ，回到步驟(3)，獲得相應(yīng)的聲場(chǎng)重構(gòu)面上波束形成的輸出Βζ+Λζ ；直到ζ = ζΝ，循環(huán)結(jié)束，共獲得了 N個(gè)搜索面上的PXQ維的波束形成輸出響應(yīng)矩陣；(7)找出N個(gè)二維波束形成輸出響應(yīng)矩陣的最大值，并記錄相應(yīng)的三維坐標(biāo)；(8)再?gòu)腘個(gè)最大值中找出整個(gè)三維空間波束形成輸出的最大值，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(xs, ys, zs)即聲源三維坐標(biāo)。附圖說(shuō)明圖I為60通道輪輻陣列圖示。圖2為本專(zhuān)利技術(shù)形成的四維功率譜圖示。圖3為本專(zhuān)利技術(shù)在X方向的定位效果圖。圖4為本專(zhuān)利技術(shù)在Y方向的定位效果圖。圖5為本專(zhuān)利技術(shù)在Z方向的定位效果圖。具體實(shí)施方案下面通過(guò)具體實(shí)施例子對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步地描述。本實(shí)施例子中，選擇輪輻陣列作為測(cè)量陣，以圖I所示的不規(guī)律方式布置60個(gè)傳聲器，傳聲器之間的間距不等，工作頻段為O. 5 8kHz。設(shè)聲源為點(diǎn)聲源，位于(-0.5m，O. 5m，O. 8m)處，暫不考慮背景噪聲，聲源頻率為4kHz，聲源強(qiáng)度為IPa。感興趣的搜索區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，其中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)0，Χ、Υ軸方向各從-2m搜索到2m, Z軸方向從Om搜索到3m,搜索步長(zhǎng)均為O. 02m。平面陣列位于x、y坐標(biāo)平面內(nèi)，陣列面的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)。根據(jù)前面設(shè)置的仿真參數(shù)，通過(guò)Matlab軟件仿真可以得到所有B (p，q, η)的值在網(wǎng)格化的三維空間散點(diǎn)圖，但是為了更清楚的顯示識(shí)別定位結(jié)果，首先找到B(p，q，η)的最大值所在的空間位置，再選取與此空間位置共面同時(shí)又分別垂直于X、I、ζ軸的所有散點(diǎn)，最后經(jīng)過(guò)篩選后的散點(diǎn)圖如圖2所示。由圖2可知，本專(zhuān)利技術(shù)可以同時(shí)定位聲源的X、Y、Z三維坐標(biāo)，而且在感興趣的區(qū)域內(nèi)，旁瓣較低。圖3 5是圖2在各方向的剖面圖。 圖3顯示當(dāng)Y和Z軸固定在聲源位置，X方向的波束模式圖，由圖可知，X軸方向的3dB主波束寬度為O. lm，第一旁瓣有-13dB。圖4顯示當(dāng)X和Z軸固定在聲源位置，Y方向的波束模式圖，由圖可知，Y軸方向的3dB主波束寬度為O. lm，第一旁瓣有-15dB。圖5顯示當(dāng)X和Y軸固定在聲源位置，Z方向的波束模式圖，由圖可知，Z軸方向的3dB主波束寬度為O. 2m，第一旁瓣有-18dB。由圖3 5可知，本專(zhuān)利技術(shù)在X、Y和Z方向都有較高的分辨率和較好的抗干擾能力。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種采用平面陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的方法，其特征在于：按如下步驟進(jìn)行：（1）設(shè)定初始聲場(chǎng)重構(gòu)面距平面陣列的距離z=z0，截至距離zN以及z方向的搜索步長(zhǎng)其中N為整數(shù)；（2）將x和y坐標(biāo)確定的聲場(chǎng)重構(gòu)面在感興趣的矩形區(qū)間內(nèi)進(jìn)行聲場(chǎng)網(wǎng)格化，假設(shè)共產(chǎn)生了P×Q個(gè)節(jié)點(diǎn)；（3）將網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)即重構(gòu)點(diǎn)作為假定聲源的空間位置(x,y,z)，確定聲波傳播到不同傳聲器時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延。重構(gòu)點(diǎn)距參考傳聲器的距離為|r|，其表達(dá)式為：|r|=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2第m個(gè)傳感器的坐標(biāo)為(xm,ym,zm)，重構(gòu)點(diǎn)距第m個(gè)傳聲器的距離為|rm|，其表達(dá)式為：|rm|=(x-xm)2+(y-ym)2+(z-zm)2第m個(gè)傳聲器相對(duì)于參考傳聲器的時(shí)延表示為τ(rm)，其表達(dá)式如下：τ(rm)=(x-xm)2+(y-ym)2+(z-zm)2-(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2c---(2)其中c為介質(zhì)中的聲速；（4）波束形成的權(quán)向量為c(x,y,z)=1...e-jωτ(rm)...e-jωτ(rm)T---(3)其中ω為聲源的角頻率，將整個(gè)搜索平面內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的波束形成的權(quán)向量組成3維矩陣：C=c(x1,y1,z)...c(x1,yq,z)...c(x1,yQ,z)...............c(xp,y1,z)...c(xp,yq,z)...c(xp,yQ,z)...............c(xP,y1,z)...c(xP,yq,z)...c(xP,yQ,z)---(4)其中c(xp,yq,z)為節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)為(xp,yq,z)所對(duì)應(yīng)的波束形成的權(quán)向量。（5）將平面陣列上的傳聲器接收到的信號(hào)，按各個(gè)通道進(jìn)行快速傅立葉變換，選取感興趣的頻點(diǎn)，以公式（4）確定的波束形成的權(quán)向量進(jìn)行加權(quán)求和輸出，獲得聲場(chǎng)重構(gòu)面的波束形成輸出，表示為一個(gè)P×Q維的矩陣Bz（6）設(shè)定下一個(gè)搜索面距平面陣列的距離z=z+Δz，回到步驟（3），獲得相應(yīng)的聲場(chǎng)重構(gòu)面上波束形成的輸出Bz+Δz；直到z=zN，循環(huán)結(jié)束，共獲得了N個(gè)搜索面上的P×Q維的波束形成輸出響應(yīng)矩陣；（7）找出N個(gè)二維波束形成輸出響應(yīng)矩陣的最大值，并記錄相應(yīng)的三維坐標(biāo)；（8）再?gòu)腘個(gè)最大值中找出整個(gè)三維空間波束形成輸出的最大值，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(xs,ys,zs)即聲源三維坐標(biāo)。FDA00002165934300011.jpg...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種采用平面陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行 (O...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：盧奐采，李春曉，金江明，丁浩，梅東挺，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：浙江工業(yè)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：