CN108562871A - 基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法 - Google Patents

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耿明昕
杨坤德
吕平海
路达
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赵明宇
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韩文
赵亚林
王绿
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    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Abstract

本发明提供一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，声场分布和噪声源位置测量精确，特别适用于近场条件下变电站低频噪声源的定位。基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，利用矢量传声器阵列在变电站的噪声环境空间中不同位置采集宽带噪声信号，同时固定一个参考矢量传声器在选定的位置处连续采样噪声场，通过将阵列采集的信号与参考矢量传声器采集的信号在频域进行相位校准，将数据等效为一个较大的阵列在对应时刻所采集到的信号，从而合成较大的阵列孔径，实现对低频噪声源的高精度定位。

Description

基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法
技术领域
本发明属于噪声测量和阵列信号处理领域，涉及近场条件下矢量麦克风阵列的低频噪声源的高精度定位，具体为基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法。
背景技术
输变电工程的噪声污染治理已经成为当今电力工业环保的新热点。噪声治理的方式可以分为以下三类：控制噪声源、控制传播途径和保护接收者。这三者中，控制噪声源是最为有效的方法。控制噪声源首先要通过测量的方式来确定噪声源的位置。噪声的测量方法主要有传统测量方法与基于阵列信号处理的方法。
传统的测量方法主要有隔声法、部分运转法和表面振速法等。(1)隔声法是在整套设备正常运行的状态下通过隔离部分发声设备来测量某部位的噪声。这种方法无法得到精确的噪声分布，此外，低频噪声的完全隔离是很难实现的。(2)部分运转法则是只运行部分设备，然后测量该部分的噪声，从而确定主要噪声源。这种方法无法得知整套设备运行时的噪声分布情况。(3)表面振速法是通过测量振动物体表面的振动速度来确定声源的位置。这种方法的测量精度比较低。
基于阵列信号处理的方法主要有常规波束形成方法、高分辨波束形成方法和合成孔径方法等。(1)常规波束形成方法是采用传声器阵列对噪声进行采样，然后采用相位补偿的方式进行数据处理从而得到声源的位置。这种方法要求阵列的尺寸与波长相当，比较适合测量高频噪声。(2)高分辨波束形成方法也是采用传声器阵列对噪声进行采样，然后使用高分辨算法如MUSIC、MVDR等进行数据处理从而确定声源位置。这种方法对于阵元位置、一致性等误差比较敏感。(3)常规合成孔径方法是采用传声器阵列在指定方向按照一定速度运动，结合运动速度和阵列阵元位置，将不同时间采样的数据等效为相同时间不同位置的采样，虚拟合成一个较大的阵列从而实现变电站低频噪声源的定位。这种方法不易操作且对于声源的定位误差较大。
总之，现有的方法对于变电站复杂环境下噪声源的定位均有一定的缺陷和不足，因此，必须寻找新的方法和技术途径。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，声场分布和噪声源位置测量精确，特别适用于近场条件下变电站低频噪声源的定位。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，利用矢量传声器阵列在变电站的噪声环境空间中不同位置采集宽带噪声信号，同时固定一个参考矢量传声器在选定的位置处连续采样噪声场，通过将阵列采集的信号与参考矢量传声器采集的信号在频域进行相位校准，将数据等效为一个较大的阵列在对应时刻所采集到的信号，从而合成较大的阵列孔径，实现对低频噪声源的高精度定位。
优选的，具体的包括如下步骤：
步骤1，选定并记录若干空间位置作为矢量传声器阵列的测量点，并指定一处固定位置作为参考矢量传声器的测量点；
步骤2，将矢量传声器阵列在选定的位置处依次对噪声采样，同时参考矢量传声器在固定位置对噪声进行不间断采样；
步骤3，记在第i个测量点采集到的第j个通道的数据为x(i,j)，参考矢量传声器上的同一时刻同类通道的数据记为xref，对两者分别作FFT处理，得到X(i,j)和Xref；则经过相位校准后的数据为，
式中下标“calibrated”表示已经校准，L表示测量点的个数；
步骤4，将L个测量点的所有测量数据按照步骤3中的方式处理之后，构造合成孔径阵列的数据协方差矩阵R，数据协方差矩阵R的第p行第q列元素Rp,q可按照下式求得
其中，p＝i1N+j1，q＝i2N+j2，N表示矢量传声器阵列的通道总数，符合H表示共轭转置；
步骤5，按照下式构造合成孔径阵列的导向向量，
其中，w(i,p),w(i,x),w(i,y),w(i,z)分别表示第i个阵元的声压、振速x、振速y、振速z通道，r0表示待测点的坐标，rm表示第m个阵元的坐标，c表示声速，θm和表示以第m个阵元作为坐标原点时待测点的空间方位角和俯仰角，对于3维矢量传声器有M＝N/4；
步骤6，由
P＝wHRw(8)
求得待测点r0处的能量；
步骤7，将待测点r0遍历整个待测平面，则得到测量平面的噪声分布，取能量最高点即为噪声源的位置，完成基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位。
优选的，矢量传声器阵列中的矢量传声器数量为2～50个。
优选的，矢量传声器阵列的阵列孔径(0.5～5m)。
优选的，矢量传声器由声压传感器和三个测量方向相互垂直的振速传感器组成。
优选的，矢量传声器阵列采用网格平面阵、十字型平面阵、圆型平面阵或体积阵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明基于阵列信号处理的噪声源定位方法，通过矢量传声器能够同时获取声压和振速信息，提供了更为完备的声场信息，避免了传统噪声源识别方法一般只能测量声场的强度，对于声源的位置定位较为模糊，而且容易受到其他声源影响的问题。
在相同的阵元数目下，矢量传声器阵列能够获得更高的阵增益，在同样的定位性能的要求下，矢量传声器阵列在尺寸上可以做到更小，数目上可以做到更少，更加方便与工程上的使用，能够精确地测量声场的分布和噪声源的位置，而且能够识别多个声源；避免了基于标量传声器阵列定位时只能提供声压信息的缺陷。
采用频域相位校准技术进行数据处理，从原理上避免了交叉项的产生，实现了相位准确校准，从而有效地解决了低频噪声源的高精度定位问题，克服了时域相位校准在进行数据处理时，当存在多个声源时会出现交叉项，相当于引入了不必要的误差，从而导致定位定都下降的问题。
附图说明
图1为本发明实例中所述的网格阵的矢量传声器阵列结构示意图。
图2为本发明实例中所述的网格阵合成孔径示意图。
图3a为非合成孔径方法定位效果示意图。
图3b为时域相位校准合成孔径定位效果示意图。
图3c为本发明所述方法的定位效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，结合阵列信号处理方法和频域相位校准合成孔径技术，采用矢量传声器阵列采集声场数据，矢量传声器由传统的声压传感器和三个测量方向相互垂直的振速传感器组成，通过三个振速传感器能够对空间中的三维振速进行x、y和z方向的测量，提供了更加完备的声场信息，在变电站复杂的噪声环境下，利用矢量传声器阵列在空间中不同位置采集宽带噪声信号，同时固定一个参考矢量传声器在选定的位置处连续采样噪声场，通过将阵列采集的信号与参考矢量传声器采集的信号在频域进行相位校准，将数据等效为一个较大的阵列在某一时刻所采集到的信号，从而合成较大的阵列孔径，实现对低频噪声源的高精度定位。
具体包括如下步骤：
步骤1：选定并记录若干空间位置作为矢量传声器阵列的测量点，假设测量点个数为L，并指定一处固定位置作为参考矢量传声器的测量点。
步骤2：将矢量传声器阵列在选定的位置处依次对噪声采样，与此同时，参考矢量传声器在固定位置对噪声进行不间断采样。
步骤3：记在第i个测量点采集到的第j个通道的数据为x(i,j)，参考矢量传声器上的同一时刻同类通道的数据记为xref，对两者分别作FFT处理，得到X(i,j)和Xref。则经过相位校准后的数据为
步骤4：将所有数据按照步骤3中的方式处理之后，构造合成孔径阵列的数据协方差矩阵R，数据协方差矩阵R的第p行第q列元素Rp,q可按照下式求得
其中p＝i1N+j1，q＝i2N+j2，N表示矢量传声器阵列的通道总数，符合H表示共轭转置。
步骤5：按照下式构造合成孔径阵列的导向向量
其中，w(i,p),w(i,x),w(i,y),w(i,z)分别表示第i个阵元的声压、振速x、振速y、振速z通道，r0表示待测点的坐标，rm表示第m个阵元的坐标，c表示声速，θm和表示以第m个阵元作为坐标原点时待测点的空间方位角和俯仰角，对于3维矢量传声器有M＝N/4。
步骤6：由
P＝wHRw(12)
求得待测点r0处的能量。
步骤7：将r0遍历整个待测平面，则得到测量平面的噪声分布，取能量最高点即为噪声源的位置。
采用合成孔径技术进行数据处理，相对于常规波束形成技术，能够提供更高的空间分辨能力。
采用频域相位校准技术，相对于时域相位校准技术，消除了交叉项的干扰，实现了相位的准确较准。
其中，矢量传声器数量为2～50个，矢量传声器阵列的阵列孔径(0.5～5m)。
如图1所示，本发明在数值仿真过程中使用的阵列形式，是一个5×5的网格阵，阵列孔径2m，阵元间距0.5m。在实际使用过程中，阵列形式以及阵元个数可以按照需求相应地改变。
如图2所示，给出了上述网格阵的合成孔径示意图。在4个不同的测量点进行了测量，如图2所示，相邻两个测量点的距离为2.2m，得到的合成孔径阵列如图2所示(z＝0平面)。
图3给出了使用该网格阵进行定位的定位效果。仿真条件为：在该网格阵的正前方6m处放置了3个声源，声源位置坐标分别为(0,0,6),(2,2,6),(3,3,6)，发出的信号是频率分别为500Hz、800Hz和600Hz单频信号。参考点坐标为(5,5,3)。
分别采用非合成孔径方法、时域相位较准合成孔径和本发明所提方法进行定位，定位结果如图3a、图3b和图3c所示，对于两个距离相近的声源，非合成孔径方法和时域相位校准合成孔径方法已经无法分辨；而图3c中，本发明提出的方法则能够准确地分辨出三个声源，有效地改善了空间分辨力。
本发明主要基于矢量传声器阵列频域相位校准合成孔径技术来实现对噪声源的定位。相对于传统的标量传声器阵列，在相同的定位精度要求下能够具有更小的阵列孔径；相对于时域相位校准的合成孔径技术，具有更好的多声源分辨能力。本发明充分考虑了变电站噪声的特性及其测量技术，通过使用矢量传声器阵列来减小阵列尺寸，通过合成孔径技术来实现对低频噪声源的可靠定位，通过频域的合成孔径处理来增强对多声源的分辨能力，从多个方面解决了变电站噪声的测量问题。

Claims (6)

1.基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，其特征在于，利用矢量传声器阵列在变电站的噪声环境空间中不同位置采集宽带噪声信号，同时固定一个参考矢量传声器在选定的位置处连续采样噪声场，通过将阵列采集的信号与参考矢量传声器采集的信号在频域进行相位校准，将数据等效为一个较大的阵列在对应时刻所采集到的信号，从而合成较大的阵列孔径，实现对低频噪声源的高精度定位。
2.根据权利要求1所述的基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，其特征在于，具体的包括如下步骤：
步骤1，选定并记录若干空间位置作为矢量传声器阵列的测量点，并指定一处固定位置作为参考矢量传声器的测量点；
步骤2，将矢量传声器阵列在选定的位置处依次对噪声采样，同时参考矢量传声器在固定位置对噪声进行不间断采样；
步骤3，记在第i个测量点采集到的第j个通道的数据为x(i,j)，参考矢量传声器上的同一时刻同类通道的数据记为xref，对两者分别作FFT处理，得到X(i,j)和Xref；则经过相位校准后的数据为，
式中下标“calibrated”表示已经校准，L表示测量点的个数；
步骤4，将L个测量点的所有测量数据按照步骤3中的方式处理之后，构造合成孔径阵列的数据协方差矩阵R，数据协方差矩阵R的第p行第q列元素Rp,q可按照下式求得
其中，p＝i1N+j1，q＝i2N+j2，N表示矢量传声器阵列的通道总数，符合H表示共轭转置；
步骤5，按照下式构造合成孔径阵列的导向向量，
其中，w(i,p),w(i,x),w(i,y),w(i,z)分别表示第i个阵元的声压、振速x、振速y、振速z通道，r0表示待测点的坐标，rm表示第m个阵元的坐标，c表示声速，θm和表示以第m个阵元作为坐标原点时待测点的空间方位角和俯仰角，对于3维矢量传声器有M＝N/4；
步骤6，由
P＝wHRw (4)
求得待测点r0处的能量；
步骤7，将待测点r0遍历整个待测平面，则得到测量平面的噪声分布，取能量最高点即为噪声源的位置，完成基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位。
3.根据权利要求1所述的基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，其特征在于，矢量传声器阵列中的矢量传声器数量为2～50个。
4.根据权利要求1所述的基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，其特征在于，矢量传声器阵列的阵列孔径(0.5～5m)。
5.根据权利要求1所述的基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，其特征在于，矢量传声器由声压传感器和三个测量方向相互垂直的振速传感器组成。
6.根据权利要求1所述的基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，其特征在于，矢量传声器阵列采用网格平面阵、十字型平面阵、圆型平面阵或体积阵。
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