CN105044724A - 一种基于声定位的平面五元十字阵阵形估计和特定阵形布设方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声定位的平面五元十字阵阵形估计和特定阵形布设方法，其中阵形估计是把坐标原点选取在五元十字阵的中间传声器所在的位置，那么其它四个传声器的位置未知，然后在N个不同的声源位置放置声源，每放置一个声源，将获得2个关于声源位置的未知量和4个已知量即时延数据τ(N,i),i＝1,2,3,4，要求4N≥2(4+N)，即N≥4，至少要在4个点上放置声源并记录数据；最后根据声程差与时延的几何关系，列出4N元方程组，根据方程组解出声源坐标与声基阵坐标的最优解；其中声基阵坐标即位估计出的平面五元十字阵的阵形。特定阵形布设方法是利用软绳十字阵和三脚架，在上述采用基于声定位的平面五元十字阵阵形估计方法基础上进行平面五元十字阵特定阵形的精确布设。

Description

一种基于声定位的平面五元十字阵阵形估计和特定阵形布设方法

技术领域

本发明主要涉及声探测技术领域，特指基于声定位的平面五元十字阵阵形快速估计和特定阵形精确布设方法。

背景技术

声探测技术能够定向和定位声源，在涉及声源定向和定位场合中有重要的应用。由传声器组成的探测阵列(简称声阵列)是声探测技术的第一环节，声阵列的各个传声器首先接收声信号，然后转化成电信号，再送入信号处理系统进行后续解算。声阵列阵形的布设是关键的第一步，直接影响声定向和定位性能的精度。

常见的声阵列有三种：线阵、面阵、立体阵。本发明涉及的声阵列为平面五元十字阵，可应用于直升机、巡航导弹、隐形飞机等低空慢速小目标的长距离探测。目前，常见的平面五元十字阵阵形布设方法主要依赖于加工接近特定标准的平面五元十字阵架。这种方法需要事先设计和加工阵列，且对于大的阵列，对搬运和安装都提高了要求。

以上提到的平面五元十字阵阵形估计和特定阵形布设均存在不同程度的问题：对于已经加工好的阵列架，对搬运和安装都提高了要求，且由于存在加工误差和安装误差，实际实验中使用的平面五元十字阵将会与设计的特定阵形有较大误差。而且，反复多次装卸后误差更大，不利于野外实验使用。同时，这种方法在使用时，安装固定完毕后并没有附加阵形估计方法，对误差也没有办法消除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前平面五元十字阵阵形估计和特定阵形布设方法中的问题，提供一种操作简单、阵形可控、数据测量和计算方便、适合在野外进行的基于声定位的平面五元十字阵阵形估计和特定阵形布设方法，解决普通常用阵列布设方法不可控、可靠性差、反复装卸误差大、不适合野外进行等问题。

一种基于声定位的平面五元十字阵阵形估计方法，所述平面五元十字阵由五个传声器和五个三脚架组成，传声器为声压传声器，频率范围为10～50kHz，三脚架可在0.8～2.5m范围内调节高度，且三脚架的顶部带有夹子，夹子能调节方向和俯仰角，用来夹紧传声器并固定传声器的位置；五个传声器设置在一个平面上但位置分布不规则且未知，通过采用以下步骤对平面五元十字阵阵形进行估计：

第一步，把坐标原点选取在五元十字阵的中间传声器所在的位置，那么其它四个传声器的位置未知，有8个未知数(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，(x₄,y₄)；

第二步，一般来说，对于每一个声源，n元传声器组成的声阵列可采集n组数据，并解算出n-1个独立的时延数据。那么，对于每一个放置于与平面五元十字阵同一平面任意位置的声源，五元十字阵则能解算出4个独立的时延数据。首先，在第一个声源位置放置一个声源S₁，其坐标(x₅,y₅)未知，但可获得4个时延数据τ(1,i),i＝1,2,3,4，即每放置一个声源，将获得2个未知量和4个已知量。

第三步，然后在第二个声源位置S₂放置一个声源，同样可获得4个时延数据τ(2,i),i＝1,2,3,4，以及2个关于声源位置的未知量(x₆,y₆)。

第四步，继续这么做，在第N个声源位置S_N放置一个声源，同样可获得4个时延数据τ(N,i),i＝1,2,3,4，以及2个关于声源位置的未知量(x_N+4,y_N+4)。要想结算出位置参数以实现对传声器阵形的估计，要求已知量个数大于或等于未知数个数，即要求4N≥2(4+N)，即N≥4，至少要在4个点上放置声源并记录数据。

第五步，根据声程差与时延的几何关系，可列出4N元方程组：

$\sqrt{x_{j+4}^2+y_{j+4}^2}-\sqrt{{\left(x_{j+4}-x_i\right)}^2+{\left(y_{j+4}-y_i\right)}^2}=c\·\mathrm{\τ}\left(j,i\right)$

其中i＝1,2,3,4；j＝1,2…N；c为声速。根据方程组解出声源坐标与声基阵坐标的最优解，

其中声基阵坐标即位估计出的平面五元十字阵的阵形。

在上述采用基于声定位的平面五元十字阵阵形估计方法基础上，进行平面五元十字阵特定阵形精确布设的方法和步骤如下所述。

一种基于声定位的平面五元十字阵特定阵形布设方法，所述平面五元十字阵由5个传声器和5个三脚架组成，传声器为声压传声器，频率范围为10～50kHz，三脚架可在0.8～2.5m范围内调节高度，且三脚架的顶部带有夹子，夹子能调节方向和俯仰角，用来夹紧传声器，固定传声器的位置，所述传声器分别固定在三脚架上，5个传声器分布在同一平面上，且其中4个传声器的连线呈正方形形状，另一传声器位于4个传声器围成的正方形的中心位置，位于四周的4个传声器相对于中心的传声器距离一定且都等于L，4个传声器组成两条连线且连线相互垂直；采用以下步骤对该平面五元十字阵进行布设：

第一步，如图1所示，手工缝制一个用软绳结成接近标准的正方形十字阵，共5个结点，周围4个结点距离中间结点的长度为L，相邻两两间距为软绳十字阵在拉平拉直状态下呈现出平面正方形形状，5个结点呈现出近似标准的平面五元十字阵形状；

第二步，将5个传声器分别夹在5个三脚架上，将5个三脚架分别放置于5个结点位置处，调节夹子角度使传声器的传感头至于5个结点的正上方，再调节5个三脚架的高度，使5个传声器置于同一个平面上。至此，大致完成了标准平面五元十字阵阵形布设；

第三步，用上述基于声定位的平面五元十字阵阵形估计方法估计出传声器阵列坐标，将之与标准坐标对比，在此对比结果上微调三脚架，再重复进行阵形估计，直至阵形精确估计的结果与标准结果的误差在设定的误差范围内。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：

本发明阵形布设和阵形估计简单实用：利用软绳十字阵和三脚架这些简单构件组合，达到了平面五元十字阵阵形布设的目的；利用简单的几何解算，达到了阵形估计的目的。本发明的方法操作简单、阵形可控、数据测量和计算方便、尤其适合在野外进行，解决了普通阵列布设方法不可控、可靠性差、反复装卸误差大、野外进行难度大等问题。

本发明的平面五元十字阵阵形布设和阵形估计方法可应用于其它元平面阵列。以常用的平面四元十字阵为例，其与平面五元十字阵的区别在于十字的中间不放置传声器，如果把坐标原点仍选在正中间，那么其阵形布设和阵形估计方法的操作步骤与上述的步骤基本一致，但需选取的声源点N≥8；如果把坐标原点选在其中一个传声器上，只需N≥6。

附图说明

图1是软绳十字阵示意图；

图2是声源点选取示意图；

图3是平面五元十字阵阵形估计示意图；

图4是平面五元十字阵特定阵形布设示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是平面五元十字阵阵形估计示意图，图中五个传声器在一个平面上，但位置分布不规则且未知。T₀(0，0)为坐标原点，也为五元十字阵的中间传声器所在的位置；T₁(x₁,y₁)，T₂(x₂,y₂)，T₃(x₃,y₃)，T₄(x₄,y₄)分别为其它四个传声器的位置坐标。1、2、3、4、N均代表声源S₁，S₂，S₃，S₄，S_N，其坐标分别是(x₅,y₅)，(x₆,y₆)，(x₇,y₇)，(x₈,y₈)，(x_N+4,y_N+4)。

第一步，把坐标原点选取在五元十字阵的中间传声器所在的位置，那么其它四个传声器的位置未知，有8个未知数(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，(x₄,y₄)。

第二步，在第一个声源位置放置一个声源S₁，其坐标(x₅,y₅)未知，但可获得4个时延数据τ(1,i),i＝1,2,3,4，即每放置一个声源，将获得2个未知量和4个已知量。

第三步，然后在第二个声源位置S₂放置一个声源，同样可获得4个时延数据τ(2,i),i＝1,2,3,4，以及2个关于声源位置的未知量(x₆,y₆)。

第四步，继续这么做，在第N个声源位置S_N放置一个声源，同样可获得4个时延数据τ(N,i),i＝1,2,3,4，以及2个关于声源位置的未知量(x_N+4,y_N+4)。要想结算出位置参数以实现对传声器阵形的估计，要求已知量个数大于或等于未知数个数，即要求4N≥2(4+N)，即N≥4，至少要在4个点上放置声源并记录数据。当N＝4时，未知数个数与方程个数一致，由于误差的存在，方程有可能无解。一般要求N＞4。

第五步，根据声程差与时延的几何关系，可列出4N元方程组：

$\sqrt{x_{j+4}^2+y_{j+4}^2}-\sqrt{{\left(x_{j+4}-x_i\right)}^2+{\left(y_{j+4}-y_i\right)}^2}=c\·\mathrm{\τ}\left(j,i\right)$

其中i＝1,2,3,4；j＝1,2…N；c为声速。根据方程组解出声源坐标与声基阵坐标的最优解，

即可估计出平面五元十字阵的阵形。N＝5时，坐标解算精度在±10cm之内。

图4是平面五元十字阵特定阵形布设示意图。在某些特定应用场合下，需要布设特定的平面五元十字阵，以标准的平面五元十字阵为例，要求四周的4个传声器相对于中间的传声器距离一定且都等于L，4个传声器组成两条连线且连线相互垂直。

第一步，将软绳十字阵拉平拉直铺在地面上，在它的五个结点上放置传声器，那么传声器的五个坐标就能保证已经接近于标准的平面五元十字阵。图1为软绳十字阵示意图，手工缝制一个用软绳结成接近标准的正方形十字阵，共5个结点，周围4个结点距离中间结点的长度为L，相邻两两间距为

第二步，按图3及其对应的上述的平面五元十字阵阵形估计方法，估计出四周4个传声器的坐标将这些坐标与标准坐标(L,0)，(0,L)，(-L,0)，(0,-L)进行对比，如果误差在设定的误差范围内，则标准平面五元十字阵布设完成；如果误差超出了设定的误差范围，则执行下面的第三步；

第三步，以误差数值为指导，微调传声器的位置，再执行第二步，如果误差在设定的误差范围内，则标准平面五元十字阵布设完成；如果误差超出了设定的误差范围，则继续执行第二步、第三步，直至误差在设定的误差范围内，完成标准平面五元十字阵的布设。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (2)

1.一种基于声定位的平面五元十字阵阵形估计方法，所述平面五元十字阵由五个传声器和五个三脚架组成，传声器为声压传声器，频率范围为10～50kHz，三脚架可在0.8～2.5m范围内调节高度，且三脚架的顶部带有夹子，夹子能调节方向和俯仰角，用来夹紧传声器并固定传声器的位置；五个传声器设置在一个平面上但位置分布不规则且未知，通过采用以下步骤对平面五元十字阵阵形进行估计：

第一步，把坐标原点选取在五元十字阵的中间传声器所在的位置，那么其它四个传声器的位置未知，有8个未知数(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，(x₄,y₄)；

第二步，对于每一个放置于与平面五元十字阵同一平面任意位置的声源，五元十字阵能解算出4个独立的时延数据；首先，在第一个声源位置放置一个声源S₁，其坐标(x₅,y₅)未知，但可获得4个时延数据τ(1,i),i＝1,2,3,4，即每放置一个声源，将获得2个未知量和4个已知量；

第三步，然后在第二个声源位置放置一个声源S₂，同样可获得4个时延数据τ(2,i),i＝1,2,3,4，以及2个关于声源位置的未知量(x₆,y₆)；

第四步，继续这么做，在第N个声源位置S_N放置一个声源，同样可获得4个时延数据τ(N,i),i＝1,2,3,4，以及2个关于声源位置的未知量(x_N+4,y_N+4)；需结算出位置参数以实现对传声器阵形的估计，要求已知量个数大于或等于未知数个数，即要求4N≥2(4+N)，即N≥4，至少要在4个点上放置声源并记录数据；

第五步，根据声程差与时延的几何关系，可列出4N元方程组：

$\sqrt{x_{j+4}^2+y_{j+4}^2}-\sqrt{{\left(x_{j+4}-x_i\right)}^2+{\left(y_{j+4}-y_i\right)}^2}=c\·\mathrm{\τ}\left(j,i\right)$

其中i＝1,2,3,4；j＝1,2…N；c为声速；根据方程组解出声源坐标与声基阵坐标的最优解；

其中声基阵坐标即位估计出的平面五元十字阵的阵形。

2.一种基于声定位的平面五元十字阵特定阵形布设方法，其特征在于：所述平面五元十字阵由5个传声器和5个三脚架组成，传声器为声压传声器，频率范围为10～50kHz，三脚架可在0.8～2.5m范围内调节高度，且三脚架的顶部带有夹子，夹子能调节方向和俯仰角，用来夹紧传声器且固定传声器的位置，所述传声器分别固定在三脚架上，5个传声器分布在同一平面上，且其中4个传声器的连线呈正方形形状，另一传声器位于4个传声器围成的正方形的中心位置，位于四周的4个传声器相对于中心的传声器距离一定且都等于L，4个传声器组成两条连线且连线相互垂直；采用以下步骤对该平面五元十字阵进行布设：

第一步，手工缝制一个用软绳结成接近标准的正方形十字阵，共5个结点，周围4个结点距离中间结点的长度为L，相邻两两间距为软绳十字阵在拉平拉直状态下呈现出平面正方形形状，5个结点呈现出近似标准的平面五元十字阵形状；

第二步，将5个传声器分别夹在5个三脚架上，将5个三脚架分别放置于5个结点位置处，调节夹子角度使传声器的传感头至于5个结点的正上方，再调节5个三脚架的高度，使5个传声器置于同一个平面上，至此，大致完成了标准平面五元十字阵阵形布设；

第三步，用权利要求1所述的基于声定位的平面五元十字阵阵形估计方法估计出传声器阵列坐标，将之与标准坐标对比，在此对比结果上微调三脚架，再重复进行阵形估计，直至阵形精确估计的结果与标准结果的误差在设定的误差范围内。