CN102901950A - 平面阵列识别声源三维坐标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种采用平面阵列识别定位声源三维坐标的方法。基于球面波声场模型，采用波束形成方法，以三维空间网格化后的网格交点作为重构点，进行不同距离的平面声场重构，比较沿距离方向（即z方向）上不同重构面的波束形成器的输出值，最大输出值对应的z轴坐标，即确定为声源的距离。最后根据声源距离对应的重构面上波束形成器输出的最大值点，确定声源在x和y轴坐标。本发明的优点在于可用二维的平面阵列，识别声源的三维坐标，可直接应用于现有的仅能识别声源两维坐标的平面阵列声全息设备上，实验已验证了该发明方案的有效性和可靠性。

Description

平面阵列识别声源三维坐标的方法

技术领域

本发明属于结构声学、气动声学、水声学、信号处理、图像处理、噪声—振动控制等交叉领域，具体的说是一种采用平面阵列识别声源三维坐标的波束形成方法。

背景技术

准确识别定位飞机、高铁、船舶及汽车等复杂系统的噪声源是实现对其有效降噪的前提，近年来，利用传感器阵列对噪声源精确地识别定位是一个重要的技术。目前常用的声源识别定位方法有近场声全息方法和波束形成的方法，近场声全息方法对于中低频率的声源，特别是结构噪声源具有较高的空间分辨率。然而，当声源为高频，且不能在声源近距离进行全息测量时，波束形成方法将成为一种有效的声源识别定位方法。

本发明应用于声源的识别定位，现有波束形成方法和技术的局限性有：（1）需要人工提供传感器阵列与声场搜索面之间的距离，才能确定声源在x和y方向的位置，由于提供的距离是人为估计的结果，无法准确定位事先未知声源在三维空间中的真实位置；（2）无法自动给出复杂对象及复杂结构表面的声源的分布状况。

发明内容

本发明的目的就是在现有的2维波束形成的基础上，智能地确定声源在第三维z方向上的位置。

本发明提出的识别声源三维坐标的波束形成方法，可应用于任何传声器分布的、任何外轮廓形状的平面阵列，由阵列面构成测量面，在测量面节点上放置传声器接收信号。将整个三维声场空间网格化，从某一初始的设定距离开始，由平行于测量面的、由x和y方向构成的声场重构面，根据各个传声器相对于重构点的空间位置对接收到的信号进行时延补偿后，加权求和输出，依次进行不同距离的声场重构，最终获得整个三维空间的波束形成器的输出，输出响应的最大值所对应的空间位置即声源坐标。

下面对本发明方法做进一步说明。

设定以M个传声器组成二维平面阵列，各传声器之间的间距满足λ/2准则，λ为声波的波长。以平面阵列轴心为坐标原点，轴心附近的某一传声器为参考传声器，其坐标为(x₀,y₀,z₀)，按如下步骤完成声源三维坐标的识别：

（1）设定初始声场重构面距平面阵列的距离z=z₀，截至距离z_N以及z方向的搜索步长其中N为整数；

（2）将x和y坐标确定的声场重构面在感兴趣的矩形区间内进行声场网格化，假设共产生了P×Q个节点；

（3）将网格的节点即重构点作为假定声源的空间位置(x,y,z)，确定声波传播到不同传声器时产生的时延。

重构点距参考传声器的距离为|r|，其表达式为：

$\left|r\right|=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$

第m个传感器的坐标为(x_m,y_m,z_m)，重构点距第m个传声器的距离为|r_m|，其表达式为：

$\left|r_m\right|=\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2+{(z-z_m)}^2}$

第m个传声器相对于参考传声器的时延表示为τ(r_m)，其表达式如下：

$\mathrm{\τ}\left(r_m\right)=\frac{\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2+{(z-z_m)}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}}{c}---\left(2\right)$

其中c为介质中的声速；

（4）波束形成的权向量为

$c(x,y,z)={\left[\begin{array}{ccccc}1& ...& e^{-\mathrm{j\ω\τ}\left(r_m\right)}& ...& e^{-\mathrm{j\ω\τ}\left(r_m\right)}\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

其中ω为声源的角频率，将整个搜索平面内所有节点的波束形成的权向量组成3维矩阵：

$C=\left[\begin{array}{ccccc}c(x_1,y_1,z)& ...& c(x_1,y_q,z)& ...& c(x_1,y_Q,z)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ c(x_p,y_1,z)& ...& c(x_p,y_q,z)& ...& c(x_p,y_Q,z)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ c(x_P,y_1,z)& ...& c(x_P,y_q,z)& ...& c(x_P,y_Q,z)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中c(x_p,y_q,z)为节点空间坐标为(x_p,y_q,z)所对应的波束形成的权向量。

（5）将平面阵列上的传声器接收到的信号，按各个通道进行快速傅立叶变换，选取感兴趣的频点，以公式（4）确定的波束形成的权向量进行加权求和输出，获得声场重构面的波束形成输出，表示为一个P×Q维的矩阵B_z

（6）设定下一个搜索面距平面阵列的距离z=z+Δz，回到步骤（3），获得相应的声场重构面上波束形成的输出B_z+Δz；

直到z＝z_N，循环结束，共获得了N个搜索面上的P×Q维的波束形成输出响应矩阵；

（7）找出N个二维波束形成输出响应矩阵的最大值，并记录相应的三维坐标；

（8）再从N个最大值中找出整个三维空间波束形成输出的最大值，对应的坐标(x_s,y_s,z_s)即声源三维坐标。

附图说明

图1为60通道轮辐阵列图示。

图2为本发明形成的四维功率谱图示。

图3为本发明在X方向的定位效果图。

图4为本发明在Y方向的定位效果图。

图5为本发明在Z方向的定位效果图。

具体实施方案

下面通过具体实施例子对本发明作进一步地描述。

本实施例子中，选择轮辐阵列作为测量阵，以图1所示的不规律方式布置60个传声器，传声器之间的间距不等，工作频段为0.5～8kHz。

设声源为点声源，位于(-0.5m，0.5m，0.8m)处，暂不考虑背景噪声，声源频率为4kHz，声源强度为1Pa。感兴趣的搜索区域为长方体，其中心位于坐标原点O，X、Y轴方向各从-2m搜索到2m，Z轴方向从0m搜索到3m，搜索步长均为0.02m。平面阵列位于x、y坐标平面内，阵列面的中心位于坐标原点。

根据前面设置的仿真参数，通过Matlab软件仿真可以得到所有B(p,q,n)的值在网格化的三维空间散点图，但是为了更清楚的显示识别定位结果，首先找到B(p,q,n)的最大值所在的空间位置，再选取与此空间位置共面同时又分别垂直于x、y、z轴的所有散点，最后经过筛选后的散点图如图2所示。由图2可知，本发明可以同时定位声源的X、Y、Z三维坐标，而且在感兴趣的区域内，旁瓣较低。

图3~5是图2在各方向的剖面图。

图3显示当Y和Z轴固定在声源位置，X方向的波束模式图，由图可知，X轴方向的3dB主波束宽度为0.1m，第一旁瓣有-13dB。

图4显示当X和Z轴固定在声源位置，Y方向的波束模式图，由图可知，Y轴方向的3dB主波束宽度为0.1m，第一旁瓣有-15dB。

图5显示当X和Y轴固定在声源位置，Z方向的波束模式图，由图可知，Z轴方向的3dB主波束宽度为0.2m，第一旁瓣有-18dB。

由图3～5可知，本发明在X、Y和Z方向都有较高的分辨率和较好的抗干扰能力。

Claims (1)

1.一种采用平面阵列识别声源三维坐标的方法，其特征在于：按如下步骤进行：

（1）设定初始声场重构面距平面阵列的距离z=z₀，截至距离z_N以及z方向的搜索步长

其中N为整数；

（2）将x和y坐标确定的声场重构面在感兴趣的矩形区间内进行声场网格化，假设共产生了P×Q个节点；

（3）将网格的节点即重构点作为假定声源的空间位置(x,y,z)，确定声波传播到不同传声器时产生的时延。

重构点距参考传声器的距离为|r|，其表达式为：

$\left|r\right|=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$

第m个传感器的坐标为(x_m,y_m,z_m)，重构点距第m个传声器的距离为|r_m|，其表达式为：

$\left|r_m\right|=\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2+{(z-z_m)}^2}$

第m个传声器相对于参考传声器的时延表示为τ(r_m)，其表达式如下：

$\mathrm{\τ}\left(r_m\right)=\frac{\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2+{(z-z_m)}^2}-\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}}{c}---\left(2\right)$

其中c为介质中的声速；

（4）波束形成的权向量为

$c(x,y,z)={\left[\begin{array}{ccccc}1& ...& e^{-\mathrm{j\ω\τ}\left(r_m\right)}& ...& e^{-\mathrm{j\ω\τ}\left(r_m\right)}\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

其中ω为声源的角频率，将整个搜索平面内所有节点的波束形成的权向量组成3维矩阵：

$C=\left[\begin{array}{ccccc}c(x_1,y_1,z)& ...& c(x_1,y_q,z)& ...& c(x_1,y_Q,z)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ c(x_p,y_1,z)& ...& c(x_p,y_q,z)& ...& c(x_p,y_Q,z)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ c(x_P,y_1,z)& ...& c(x_P,y_q,z)& ...& c(x_P,y_Q,z)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中c(x_p,y_q,z)为节点空间坐标为(x_p,y_q,z)所对应的波束形成的权向量。

（5）将平面阵列上的传声器接收到的信号，按各个通道进行快速傅立叶变换，选取感兴趣的频点，以公式（4）确定的波束形成的权向量进行加权求和输出，获得声场重构面的波束形成输出，表示为一个P×Q维的矩阵B_z

（6）设定下一个搜索面距平面阵列的距离z=z+Δz，回到步骤（3），获得相应的声场重构面上波束形成的输出B_z+Δz；

直到z=z_N，循环结束，共获得了N个搜索面上的P×Q维的波束形成输出响应矩阵；

（7）找出N个二维波束形成输出响应矩阵的最大值，并记录相应的三维坐标；

（8）再从N个最大值中找出整个三维空间波束形成输出的最大值，对应的坐标(x_s,y_s,z_s)即声源三维坐标。

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