CN101806882A - 一种发射源的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种发射源的定位方法，涉及一种声发射检测方法，适用于目标定位，包括下述步骤：(1)拥有一套可同时接收至少四个由同一发射源发出信号的接收处理系统；(2)将上述至少四个信号接收器按直线关系布置，并且各接收器之间的距离为已知；(3)接收发射源的发射信号，确定发射信号到达各信号接收器之间的时差；(4)建立坐标系，推导出确定发射源位置的计算公式；(5)将在上述步骤(2)和步骤(3)中确定的各接收器之间的距离和各信号接收器之间的时差代入在步骤(4)确定的计算公式，最终确定发射源的位置。该方法不需事先确定声波在介质中的传播速度，并可消除由于频散带来的定位误差。本方法还可以方便地应用到其他类似的定位技术。

Description

一种发射源的定位方法

技术领域

本发明涉及一种声发射检测方法，特别是涉及一种突发性声发射源的定位方法。

背景技术

确定声发射源的部位是声发射检测的主要目标之一，也是评价声发射仪器的一项重要指标。如何提高声发射源的定位精度，最大限度地简化声发射源的定位工作，是声发射检测与评价以及声发射监测仪器性能评价的一个重要指标。因此，对声源定位方法的改进具有十分重要的意义。

声发射源定位方法按实现定位的方法原理，可分为时差定位法、区域定位法、相关关系定位法和模式识别定位法等。

时差定位法根据同一声发射源发出的信号到达不同传感器的相对时间差异以及传感器布置的空间位置，通过声发射源和传感器间的几何关系列出方程并进行求解，可得到声发射源的位置。时差定位法通常假定介质声传播各向同性，传播速度为常数，是目前应用最普遍的声发射源定位方法。在实践中，为了得到声发射源位置的计算方程式并简化计算，声发射信号的接收器(以下称传感器)位置通常是按特定的规则的几何图形布置的，根据传感器布置的几何图形，时差定位法可分为正方形定位法、正三角形定位法和球面三角形定位法等，但由上述各种方法推得的声发射源位置确定的计算公式还是比较麻烦，致使声发射源定位工作比较繁琐；另外，以往时差定位法都需要事先用模拟声源对声波的速度进行测量，但由于无法保证模拟声源和实际声源在频率等方面完全一致，而实际证明即使是同一种介质，只要其几何形状不同，即使是完全相同的声发射源也会有不同的声波传播速度，因此，事先用模拟声源来确定声波在介质中传播速度的方法会给声发射源定位带来误差。

发明内容：

本发明提供了一种不同于传统的发射源定位的时差定位方法，该方法信号传感器布置的几何图形简单，不需事先确定声波在介质中的传播速度，因此，可以得到简洁的声发射源的定位公式，并可消除由于频散带来的定位误差。本发明的方法还可以方便地应用到其他类似的定位技术。

本发明的方法是通过以下技术方案实现的：

一种发射源的定位方法，该方法适用于相关的目标定位，它包括下述步骤：

(1)拥有一套可同时接收至少四个由同一发射源发出信号的接收处理系统；

(2)将上述系统的至少四个信号接收器按直线关系布置，并且各接收器之间的距离为已知；

(3)接收发射源的发射信号，确定发射信号到达各信号接收器之间的时差；

(4)建立坐标系，推导出确定发射源位置的计算公式；

(5)将在上述步骤(2)和步骤(3)中确定的各接收器之间的距离和各信号接收器之间的时差代入在步骤(4)确定的计算公式，最终确定发射源的位置。

本发明的优点和效果是：

信号传感器布置的几何图形简单，不需事先确定声波在介质中的传播速度，因此，可以得到简洁的声发射源的定位公式，并可消除由于频散带来的定位误差。本发明的方法还可以方便地应用到其他类似的定位问题中。

附图说明

图1为本发明方法的传感器一种布置示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方法作进一步的说明。

本发明依下列步骤进行：在待定的声发射源附近按分布布置，至少四个信号传感器，并记录下传感器之间的距离；监视声发射信号并记录信号到达各传感器的时间差异；以待定声发射源为坐标原点，推到确定声发射源位置的计算公式；将上述传感器之间的距离、声发射信号到达各传感器的时间差代人上述计算公式，最终确定声发射源的具体位置。

实施例：参见图1所示，在平面直角坐标系XOY中，坐标原点O为声发射源，Y轴与直线AD平行，将四个传感器按直线布置，分别置于A(x，y)、B(x，y+l₂₁)、C(x，y+l₃₁)、D(x，y+l₄₁)处，令OA＝r，OB＝r+r₂₁，OC＝r+r₃₁，OD＝r+r₄₁。从声源O(0，0)发射的声波到达置于B、C、D处的传感器相对于其到达A处的传感器的时差分别为t₂₁、t₃₁和t₄₁。若声波的传播速度为v，则r₂₁＝vt₂₁、r₃₁＝vt₃₁、r₄₁＝vt₄₁。

M(x，0)点为X轴与直线AD的交点，三角形MOA、MOB、MOC、MOD均为直角三角形，由勾股定理知：

x²+y²＝r²，(1)

x²+(y+l₂₁)²＝(r+vt₂₁)²，(2)

x²+(y+l₃₁)²＝(r+vt₃₁)²，(3)

x²+(y+l₄₁)²＝(r+vt₄₁)². (4)

分别用(2)、(3)、(4)式减去(1)式后整理得：

$2y{l}_{21}=l_{21}^2=2\mathrm{rv}{t}_{21}+t_{21}^2{v}^2,---\left(5\right)$

$2y{l}_{31}+l_{31}^2=2\mathrm{rv}{t}_{31}+t_{31}^2{v}^2,---\left(6\right)$

$2y{l}_{41}+l_{41}^2=2\mathrm{rv}{t}_{41}+t_{41}^2{v}^2.---\left(7\right)$

由(5)式得，

$2\mathrm{rv}=\frac{2y{l}_{21}+l_{21}^2}{t_{21}}-t_{21}{v}^2.---\left(8\right)$

将(8)式分别代入(6)式和(7)式得，

$2l_{31}y+l_{31}^2=\frac{t_{31}}{t_{21}}(2l_{21}y+l_{21}^2)-t_{21}{t}_{31}{v}^2+t_{31}^2{v}^2,---\left(9\right)$

$2l_{41}y+l_{41}^2=\frac{t_{41}}{t_{21}}(2l_{21}y+l_{21}^2)-t_{21}{t}_{41}{v}^2+t_{41}^2{v}^2.---\left(10\right)$

由(9)式得，

$v^2=\frac{t_{21}(2l_{31}y+l_{31}^2)-t_{31}(2l_{21}y+l_{21}^2)}{t_{21}(t_{31}^2-t_{21}{t}_{31})},---\left(11\right)$

将(11)式分别代入(10)式得，

$y=\frac{t_{41}(t_{41}-t_{21})(t_{31}{l}_{21}^2-t_{21}{l}_{31}^2)-t_{31}(t_{31}-t_{21})(t_{41}{l}_{21}^2-t_{21}{l}_{41}^2)}{2[t_{41}(t_{41}-t_{21})(t_{21}{l}_{31}-t_{31}{l}_{21})+t_{31}(t_{31}-t_{21})(t_{41}{l}_{21}-t_{21}{l}_{41})]}.---\left(12\right)$

令，

$a=t_{41}(t_{41}-t_{21})(t_{31}{l}_{21}^2-t_{21}{l}_{31}^2)-t_{31}(t_{31}-t_{21})(t_{41}{l}_{21}^2-t_{21}{l}_{41}^2),---\left(13\right)$

b＝2[t₄₁(t₄₁-t₂₁)(t₂₁l₃₁-t₃₁l₂₁)+t₃₁(t₃₁-t₂₁)(t₄₁l₂₁-t₂₁l₄₁)]，(14)

则，

$y=\frac{a}{2b}.---\left(15\right)$

将(15)式代入(11)式得，

$v^2=\frac{(t_{21}{l}_{31}-t_{31}{l}_{21})a+(t_{21}{l}_{31}^2-t_{31}{l}_{21}^2)b}{t_{21}{t}_{31}(t_{31}-t_{21})b},---\left(16\right)$

$v={\left[\frac{(t_{21}{l}_{31}-t_{31}{l}_{21})a+(t_{21}{l}_{31}^2-t_{31}{l}_{21}^2)b}{t_{21}{t}_{31}(t_{31}-t_{21})b}\right]}^{1/2}.---\left(17\right)$

将v和(15)式分别代入(8)式得，

$r^2=\frac{{[(a+l_{21}b)l_{21}-b{t}_{21}^2{v}^2]}^2}{4b^2{t}_{21}^2{v}^2}.---\left(18\right)$

将(18)式和(15)代入(1)式得，

$x=\±\frac{{\{{[(a+l_{21}b)l_{21}-b{t}_{21}^2{v}^2]}^2-t_{21}{a}^2{v}^2\}}^{1/2}}{2t_{21}\mathrm{bv}}.---\left(19\right)$

由x、y、r中的任意两个数据即可实现声发射源的准确定位。

x取正值还是取负值可用如下方法确定。在任意一个传感器的一侧再增加一个传感器(两传感器之间有适当间隔，并具有相同的y坐标)。例如：在A1点加一个传感器，如果A1点处的传感器比A点处的传感器先接收到声波信号，则x取负值，即实际声源在靠近A1一侧，并与图1中的坐标原点O关于直线MC对称；如果A1点处的传感器比A点的处传感器后接收到声波信号，则x取正值，即实际声源就为图1中的坐标原点O。

Claims (1)

1.一种发射源的定位方法，该方法适用于相关的目标定位，其特征在于，它包括下述步骤：

(1)拥有一套可同时接收至少四个由同一发射源发出信号的接收处理系统；

(2)将上述系统的至少四个信号接收器按直线关系布置，并且各接收器之间的距离为已知；

(3)接收发射源的发射信号，确定发射信号到达各信号接收器之间的时差；

(4)建立坐标系，推导出确定发射源位置的计算公式；

(5)将在上述步骤(2)和步骤(3)中确定的各接收器之间的距离和各信号接收器之间的时差代入在步骤(4)确定的计算公式，最终确定发射源的位置。