CN103983946A - 一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声学技术领域，具体而言，涉及一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，该方法包括步骤1、接收各测量通道的信号，并对其进行延时补偿，得到任意期望方向上各通道信号的同相信号；步骤2、对步骤1中得到的同相信号计算平均功率谱；步骤3、去除步骤2中所得的平均功率谱中的自谱部分并保留互谱部分，得到平均互功率谱。本发明提供的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法可较好地抑制单个测量通道的噪声信号对声源信号的影响，从而获得较高的输出信噪比并实现较佳的声源定位效果。

Description

一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法

技术领域

本发明涉及声学技术领域，具体而言，涉及一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法。

背景技术

近年来，声源定位技术广泛应用于船舶、航天航空、汽车行业、家电行业、电厂车间等环境噪声检测及其他各种机械设备的噪声检测中，通过了解声源的位置分布及发声特性，为降低噪声提供理论依据，进而改进产品设计，改善产品的声辐射特性，取得减振降噪效果。

传统的声源定位技术采用由一组在空间固定位置上分布的多个传声器组成的阵列对空间声信号进行测量，然后对多个传声器所测得的声场阵元信号进行测量和分析，最终得到声场中声源强度大小的空间相对分布，实现噪声源的识别定位。

现有技术中，采用如下方法对所测得的多个测量通道的信号进行处理：首先对各测量通道接收到的信号进行时延补偿，从而使在某一期望方向上到达基阵的信号在求和之前是同相的；然后计算进行了延时补偿后的信号间的平均互功率谱，这里，平均互功率谱一般以声源的声压或功率表出；最后，通过所得的平均互功率谱绘出声源关于空间分布的两维或三维示意图。然而，实际的测量装置都会受到本有噪声的影响，因此各个测量通道所测得的信号中都分别包含了各自测量通道的噪声的信号，这些噪声信号也会出现在声源定位的结果中，从而影响到声源定位的精度。现有多测量通道信号的处理方法的缺陷在于，这种处理方法不能较好地抑制单个测量通道的噪声信号对声源信号的影响，最终输出的信噪比较低。

发明内容

为解决现有技术中不能较好地抑制单个测量通道的噪声信号对声源信号的影响，信噪比较低的缺陷，本发明提供一种可较好地抑制单个测量通道的噪声信号对声源信号的影响，从而获得较高的输出信噪比并实现较佳的声源定位效果的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法。

为达到上述目的，在本发明的实施例中提供了一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，包括：步骤1、接收各测量通道的信号，并对其进行延时补偿，得到任意期望方向上各通道信号的同相信号；步骤2、对步骤1中得到的同相信号计算平均功率谱；步骤3、去除步骤2中所得的平均功率谱中的自谱部分并保留互谱部分，得到平均互功率谱。

在对多个测量通道的信号进行处理时，实际的测量装置都会受到本有噪声的影响，因此各个测量通道所测得的信号中都分别包含了各自测量通道的噪声的信号，虽然各自噪声信号的强度较小，远不能淹没声源信号，但这些噪声信号会出现在声源定位的结果中，从而影响到声源定位的精度。另一方面，因为各个测量通道的噪声信号相互之间的关联性较低，即各噪声信号为近独立信号，在进行功率谱矩阵运算时，计算自谱的过程中通道噪声信号的影响被放大，而在平均互功率谱中的互谱部分，因噪声信号相互之间的关联性较低，所以互谱部分几乎不会受到单个测量通道的噪声信号的影响。本发明提供的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，通过在信号处理时去除同相信号的平均互功率谱中的自谱部分，从而可以较好地抑制单个测量通道的噪声信号对声源信号的影响，进而获得较高的输出信噪比并实现较佳的声源定位效果。

进一步地，步骤1中得到的同相信号为经时-频域转换后的信号。

进一步地，对各通道信号的延时补偿的方法为：

其中，声源的声压信号为；为声源与第m个测量通道间的距离，为基阵扫描聚焦点到第m个测量通道的距离；为经补延时偿后的第m个测量通道的同相信号。

进一步地，平均功率谱的计算方法为：

其中：为测量通道的自功率谱，为测量通道的互功率谱矩阵。

附图说明

图1为本发明实施例所述的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法的示意图；

图2为本发明实施例中，传声器阵列和声源扫描面的示意图；

图3为一个应用本发明实施例所述的方法的具体信号处理过程中，测量面上的阵元分布示意图；

图4为图3的具体信号处理过程中，采用现有技术中的信号处理方法对具体数据进行处理的结果图示；

图5为图3的具体信号处理过程中，采用本发明的实施例中所述的信号方法对具体数据进行处理的结果图示；

图6为另一个应用本发明实施例所述的方法的具体信号处理过程中，现有技术与本发明实施例中所述的信号方法对具体数据进行处理的对比图示。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明的实施例中提供了一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，如图1所示，该声源定位过程中的多测量通道信号处理方法包括：步骤1、接收各测量通道的信号，并对其进行延时补偿，得到任意期望方向上各通道信号的同相信号；步骤2、对步骤1中得到的同相信号计算平均功率谱；步骤3、去除步骤2中所得的平均功率谱中的自谱部分并保留互谱部分，得到平均互功率谱。

下面给出本发明技术方案在具体应用领域的一个实施例：

聚焦波束形成是一种适用于近场的波束形成技术。在近场条件下，目标声波近似为球面波扩展，对各阵元接收到的信号进行球面波聚焦时延补偿，从而使在某一期望方向上到达基阵的信号在求和之前是同相的，进而获得该方向的最大输出。可见，聚焦波束形成是一个延时补偿求和的处理过程，其目的是在待扫描区域内某一特定方向上产生一最大波束输出。

当声源位于接收基阵的近场区域时，将声源近似看作是点声源，在无损耗介质中，距离声源r处的阵元接收到的声压可表示为:

                     (1)

这里A表示声源幅度，表示接收阵元接收到的声压幅值，为角频率，为声源频率，表示波数，兄为信号的波长。可见，随着声源与各阵元之间的距离r的不同，使得各阵元接收到声压的相位也不同，对其进行时延补偿后，各阵元接收信号形成同相迭加，在声源位置处输出最大。其输出为

                     (2)

其中为第个阵元接收到的声压信号，是其相应的时延补偿，其大小因各阵元与声源间距离的不同而不同。

在此基础上，考虑二维平面的传声器聚焦阵列，如图2所示，其中，10为传声器所在平面，20为声源所在平面；考虑由M个传声器组成的二维接收阵列，设此接收阵列位于xoy平面上，各阵元的空间位置为，，取接收基阵所在的平面为测量面。假设在与测量面平行的某一平面上存在若干声源，选择此平面为分析平面，并称声源所在的平面为声源扫描面，设某声源位于处，辐射的声压信号为，近场条件下声波近似为球面波扩展，不考虑介质的声吸收，则接收基阵各阵元接收到的声压为:

                    (3)

其中

             (4)

m为声源到第m个阵元的距离。

根据扫描精度的要求，将声源扫描面适当地划分网格，网格交点称为扫描聚焦点(或称重建点)。可得到扫描点的空间坐标。设为声源扫描面内任意扫描聚焦点坐标。对该扫描点做聚焦分析时的时间补偿因子是基于声波由该点辐射的假设。可得到多声源聚焦波束形成中二维阵列的聚焦波束形成公式式（5）：

其中

                      (6)

           (7)

为幅度补偿因子，为基阵扫描聚焦点到第m个阵元的距离，基阵扫描聚焦点即传声器聚焦阵列的聚焦方向与声源扫描面的交点，为声压。因此通过式(5)可以得到声源扫描面上任意一点处的声压表达式，进而可以得到整个扫描面上的声压分布情况。

当聚焦方向与声波入射方向相同时，即接收基阵刚好扫描到声源时。有，由(5)式可见此时聚焦时延补偿因子与实际声源到达各阵元的时延值相同，经过校正后时延值抵消，各阵元输出声压具有相同的相位，使系统输出实现同相迭加达到最大值，输出结果为:

                (8)

当聚焦方向与声波入射方向不同时，由于聚焦时延补偿因子与实际的时延值不相同，各阵元输出的声压信号具有不同的相位，相加时不能相互抵消，系统输出结果较小。

类似一维聚焦波束形成的推导过程，可以得到多声源聚焦波束形成中二维阵列输出的情况:

          (9)

其中，表示声源个数，为第j个声源与第m个阵元间的距离，为基阵扫描点到第m个阵元的距离。

在上述近场聚焦波束形成声源定位过程中，首先在测量面上的接收基阵接收来自声源面上的声信号，再以声源扫描面上的扫描点为聚焦点做聚焦波束形成处理，使阵列的输出聚焦到该点上，此时系统的输出结果为对此扫描点声压重构的相对大小。按照同样的过程对声源扫描面上的所有点进行扫描，就可得到每个扫描点处声压的相对大小，最终以声压分布图的形式表现出来，可直观的观察到极大值所处的位置，也就是声源分布情况，实现了声源定位。

以上，通过对接收基阵做聚焦处理，可以得到扫描面上的声压分布情况。但在实际应用中，人们一般更关注于系统输出的能量即聚焦点处的声功率情况。较声压而言，声功率图更能准确的表示出声源的分布情况，定位精度更高。对于稳态声场，通常以频域聚焦为基础，通过计算各阵元间的平均互功率谱得到声场中某点的声功率。

对聚焦波束形成公式（5）做傅里叶变换，可得到其频域表达式（10）为：

其中表示声源的角频率，表示波数。

由式（10）可得到聚焦波束形成输出的平均功率谱式（11）为：

其中：为阵列的自功率谱，而为阵列的互功率谱矩阵。由式（11）可见，系统输出的功率包括自谱和互谱两个部分。在实际测量中，接收基阵各阵元接收到的信号不仅仅是声信号，还有来自接收信道的噪声与电噪声等其他干扰，自谱项不仅加强了信号的强度，也使噪声的干扰加大，进而影响声源定位。另一方面，基阵扣除了自谱部分的互功率谱只考虑各阵元间的信号相关情况，由于各阵元间噪声信号的关联性较低，所以互功率谱中噪声信号对声源信号的影响相对较低，同时声波对接收基阵所贡献的能量又得以保留。因此，去掉式（11）中各接收阵元的自谱项，得到去自谱后的声聚焦系统输出式（12）为：

上式即去除了各接收阵元的自谱部分的平均互功率谱，最后再将式（12）的具体数据转为声源波束形成的图形输出。

以下通过一个具体信号处理过程，分别给出依照现有技术中的信号处理方法和依照本发明的实施例中所述的信号方法对具体数据进行处理的结果图示。相关数据参数为：信号声源频率：5000Hz；声源位置：（-0.5，0）、（0.5，0）；信噪比：-40dB；阵列形式：如图3所示，测量面上共设5组测量阵元，每组包括6个阵元。信号处理结果如图4、5所示，其中，图4为采用现有技术中的信号处理方法对具体数据进行处理的结果图示，图5为采用本发明的实施例中所述的信号处理方法对具体数据进行处理的结果图示。

在另外一个具体信号处理过程中，分别给出依照现有技术中的信号处理方法和依照本发明的实施例中所述的信号方法对具体数据进行处理的结果图示。相关数据参数为：信号声源频率：3000Hz。信号处理结果如图6所示，其中，图6为现有技术的信号处理方法和本发明的实施例中所述的信号处理方法所得的处理结果对比图。图中，横坐标为聚焦点坐标，纵坐标为聚焦结果，曲线30为采用现有技术依照现有技术中的信号处理方法对具体数据进行处理的结果曲线，曲线40为采用本发明的实施例中所述的信号方法对具体数据进行处理的结果曲线。从图6中也可以很明显地看出，在噪声条件下，相比于一般的延求和波束形成输出，去自谱的波束形成有较窄的主瓣宽度，旁瓣级较低，可以获得较高的输出信噪比。因此采用去自谱波束形成算法可以提高系统的分辨率，获得较满意的定位精度

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，并且，在不冲突的情况下，本发明中的各实施例及实施例中的各特征可以相互组合。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、接收各测量通道的信号，并对其进行延时补偿，得到任意期望方向上各通道信号的同相信号；

步骤2、对步骤1中得到的同相信号计算平均功率谱；

步骤3、去除步骤2中所得的平均功率谱中的自谱部分并保留互谱部分，得到平均互功率谱。

2.根据权利要求1中所述的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，其特征在于：步骤1中得到的同相信号为经时-频域转换后的信号。

3.根据权利要求1中所述的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，其特征在于：对各通道信号的延时补偿的方法为：

其中，声源的声压信号为；为声源与第m个测量通道间的距离，为基阵扫描聚焦点到第m个测量通道的距离；为经补延时偿后的第m个测量通道的同相信号。

4.根据权利要求3中所述的声源定位过程中的多测量通道信号处理方法，其特征在于：平均功率谱的计算方法为：

其中：为测量通道的自功率谱，为测量通道的互功率谱矩阵。