CN111460362A - 一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，包括建立四元传声器主阵列模型；建立四元传声器阵列群模型；基于四元传声器主阵列模型和四元传声器阵列群模型，对声源共同定位。本发明方法不仅能利用阵列群测得声源数据对其进行互补处理，重新获得声源位置，而且能有效解决定位数据丢失或失真的问题。

Description

一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法

技术领域

本发明属于声源探测技术领域，具体涉及一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法。

背景技术

近年来，有关声源检测技术的研究层出不穷。基于传声器阵列的声源定位技术指出了新的研究方向，显示了广阔的市场和应用前景。声源定位系统首次应用于军事领域，测量相对时延值，实现对地面辐射源的被动定位。无源定位是指信号来自辐射源而不是定位系统本身。声源信号定位涉及信号处理、数学等多学科知识。

与其他检测技术相比，声源定位具有较强的抗干扰性和较高的隐蔽性，其特点是具有被动定位特性，可灵活采用不同的传声器阵列模型，以及针对不同目标声源的算法。声源定位广泛应用于声呐、鱼雷、水声定位、水下滑翔机等平台。

然而，现有工作需要一个基本的假设，即声源定位中的每个传声器都能正常工作，这在大多数定位场景中是很难保证的，而且环境稳定性很差。因此，传声器阵列的定期维护破坏了数据采集的实时性。由此产生的相关误差传播可能会大大降低定位精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，建立四元传声器阵列群模型进行研究，以进一步提高被动声源探测能力，解决声源定位性能易受数据丢失或畸变影响的问题。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，包括：

步骤1：建立四元传声器主阵列模型；

步骤2：建立四元传声器阵列群模型；

步骤3：基于四元传声器主阵列模型和四元传声器阵列群模型，对声源S共同定位。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤1中，所述四元传声器主阵列模型包括4个传声器，分别是：

和

其中，d表示阵元间距；

声源S所处的空间位置为(x₁,y₁,z₁)，r表示声源S到阵元中心(0,0,0)的距离，r₁表示声源S到传声器A1的距离；

S'为声源S在X0Y平面上的投影点，方位角X0S'为

仰角Z0S为θ₁。

上述的步骤2具体为：基于四元传声器主阵列，建立包含主阵列和第一副阵列、第二副阵列的四元传声器阵列群。

所述第一副阵列和第二副阵列与主阵列的阵元排布相同；

为第一副阵列的中心，

为第二副阵列的中心；

其中，d表示阵元间距。

上述的步骤3中，以主阵列所在坐标系为基准，联合第一副阵列和第二副阵列，对声源S共同定位，包括以下步骤：

步骤a：基于四元传声器阵列群，得到基于主阵列测得的声源坐标(x₁,y₁,z₁)；

基于第一副阵列测得的声源坐标(x₂,y₂,z₂)；

基于第二副阵列测得的声源坐标(x₃,y₃,z₃)；

步骤b：对各阵列测得数据进行互补处理后，得到声源坐标(x,y,z)、方位角

和仰角θ。

上述的步骤a中：

r₁为声源S到传声器A1的距离，d表示阵元间距；

r₂为声源S到传声器A2的距离；

r₃为声源S到传声器A3的距离；

t₂₁为声源信号先到达传声器B1与后到达传声器A1的时间差；

t₃₁为声源信号先到达C1与后到达传声器A1的时间差；

t₄₁为声源信号先到达D1与后到达传声器A1的时间差；

声源S产生的声波以速度为c的球面波形式进行传播，d₂₁、d₃₁、d₄₁分别为对应时延值t₂₁、t₃₁、t₄₁的声程差；

同时，t₅、t₆、t₇、t₈分别是声源S传播到传声器A2(2d,0,0)、

C2(d,0,0)、

的时间，三组相对时延值为：t₆₅＝t₆-t₅，t₇₅＝t₇-t₅，t₈₅＝t₈-t₅，声程差为：d₆₅＝ct₆₅，d₇₅＝ct₇₅，d₈₅＝ct₈₅；

t₉，t₁₀,，t₁₁，t₁₂分别是声源S传播到传声器

B3(0,2d,0)、

D3(0,d,0)的时间，三组相对时延值为：t_10,9＝t₁₀-t₉，t_11,9＝t₁₁-t₉，t_12,9＝t₁₂-t₉，声程差为：d_10,9＝ct_10,9，d_11,9＝ct_11,9，d_12,9＝ct_12,9。

上述的步骤b中：

1)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当主阵列与第一副阵列和第二副阵列各轴数据误差均小于P％时，对各轴数据进行互补处理，得到声源位置为：

当

i＝2,3时，

2)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当主阵列与第一副阵列和第二副阵列中任一副阵列各轴数据误差大于P％，且主阵列与另一副阵列各轴数据误差小于P％时，利用数据处理方法后得到的表达式如下：

当

或

或

且

时，

3)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当任意两个阵列之间测得的任意轴数据误差均大于P％时，将声源定位数据置零，对应表达式为：

当

或

或

且

或

或

i＝2,3时，

4)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当第一副阵列和第二副阵列测得的各轴数据误差均小于p％，且第一副阵列和第二副阵列与主阵列间的各轴误差大于P％时，利用数据处理方法后得到的表达式如下：

当

且

或

或

i＝2,3时，

本发明具有以下有益效果：

本发明方法不仅能利用阵列群测得声源数据对其进行互补处理，重新获得声源位置，而且能有效解决定位数据丢失或失真的问题。

附图说明

图1为四元传声器主阵列模型；

图2为四元传声器阵列群模型；

图3为声源定位数据互补方法性能分析流程图；

图4为二维远场环境下声源定位误差示意图；

图5为二维远场环境入射角误差与比例r/d、入射角的关系；

图6为声源仰角估计误差与声速、仰角的关系；

图7为声源仰角估计误差与阵元间距、仰角的关系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，包括：

步骤1：建立四元传声器主阵列模型，具体的：

如图1所示，四元传声器主阵列模型包括4个传声器，分别是：

和

其中，d表示阵元间距；

声源S所处的空间位置为(x₁,y₁,z₁)，r表示声源S到阵元中心(0,0,0)的距离，r₁表示声源S到传声器A1的距离；

S'为声源S在X0Y平面上的投影点，方位角X0S'为

仰角Z0S为θ₁。

步骤2：建立四元传声器阵列群模型，具体为：如图2所示，基于四元传声器主阵列，建立包含主阵列(图2中的数字1处)和第一副阵列(图2中的数字2处)、第二副阵列(图2中的数字3处)的四元传声器阵列群。

所述第一副阵列和第二副阵列与主阵列的阵元排布相同；

为第一副阵列的中心，

为第二副阵列的中心。

步骤3：基于四元传声器主阵列模型和四元传声器阵列群模型，对声源S共同定位：以主阵列所在坐标系为基准，联合第一副阵列和第二副阵列，对声源S共同定位，包括以下步骤：

步骤a：基于四元传声器阵列群，得到基于主阵列测得的声源坐标(x₁,y₁,z₁)：

基于第一副阵列测得的声源坐标(x₂,y₂,z₂)：

r₂为声源S到传声器A2的距离；

基于第二副阵列测得的声源坐标(x₃,y₃,z₃)：

r₃为声源S到传声器A3的距离；

t₂₁为声源信号先到达传声器B1与后到达传声器A1的时间差；

t₃₁为声源信号先到达C1与后到达传声器A1的时间差；

t₄₁为声源信号先到达D1与后到达传声器A1的时间差；

声源S产生的声波以速度为c的球面波形式进行传播，d₂₁、d₃₁、d₄₁分别为对应时延值t₂₁、t₃₁、t₄₁的声程差；

同时，t₅、t₆、t₇、t₈分别是声源S传播到传声器A2(2d,0,0)、

C2(d,0,0)、

的时间，三组相对时延值为：t₆₅＝t₆-t₅，t₇₅＝t₇-t₅，t₈₅＝t₈-t₅，声程差为：d₆₅＝ct₆₅，d₇₅＝ct₇₅，d₈₅＝ct₈₅；

t₉，t₁₀,，t₁₁，t₁₂分别是声源S传播到传声器

B3(0,2d,0)、

D3(0,d,0)的时间，三组相对时延值为：t_10,9＝t₁₀-t₉，t_11,9＝t₁₁-t₉，t_12,9＝t₁₂-t₉，声程差为：d_10,9＝ct_10,9，d_11,9＝ct_11,9，d_12,9＝ct_12,9。

步骤b：对各阵列测得数据进行互补处理后，得到声源坐标(x,y,z)、方位角

和仰角θ：

1)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当主阵列与第一副阵列和第二副阵列各轴数据误差均小于P％时，对各轴数据进行互补处理，得到声源位置为：

当

i＝2,3时，

2)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当主阵列与第一副阵列和第二副阵列中任一副阵列各轴数据误差大于P％，且主阵列与另一副阵列各轴数据误差小于P％时，例如，若主阵列与第一副阵列各轴数据误差大于P％，且与第二副阵列各轴数据误差小于P％时，利用数据处理方法后得到的表达式如下：

当

或

或

且

时，

3)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当任意两个阵列之间测得的任意轴数据误差均大于P％时，将声源定位数据置零，对应表达式为：

当

或

或

且

或

或

i＝2,3时，

4)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当第一副阵列和第二副阵列测得的各轴数据误差均小于p％，且第一副阵列和第二副阵列与主阵列间的各轴误差大于P％时，利用数据处理方法后得到的表达式如下：

当

且

或

或

i＝2,3时，

以下对基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法从测距测向方面进行性能分析：

基于间接测量误差理论，对声源定位性能进行分析。图3示出了分析流程。

另外，基于图1，可得到：

结合式(1)、(8)，进一步得到：

式(9)是声源定位数据互补方法性能分析的基础。

1、二维远场环境对定位精度影响

当声源在二维远场环境下时，四元主阵列接收到的声源信号可以简化为平面波，如图4所示。

图4中，声源S坐标为(x,y)，传声器坐标分别为

绝对误差为e＝|α-α'|。其中，α为实际值，α'为仿真值，入射角θ等于α'。

根据图4，可得到：

其中，r、r₁、r₂分别为声源S到坐标原点、传声器A、传声器C之间的距离。

由式(10)可得：

结合式(10)、(11)，可推导出：

对式(12)进行仿真，得到如图5所示的关系曲线。

图5中，比例r/d设置在0.5与15之间。当r/d大于3时，实际值α对入射角误差e的影响不大，e小于0.5°。r/d越大，入射角误差e将越接近零。因此，图2所示的四元传声器阵列群可用于远场定位。

2、声速估计误差对定位性能影响

声源传播受温度、湿度、风等外界因素的影响。由式(6)-(9)可知，由声速估计误差σ_c引起的仰角估计误差σ_θc为：

当声速估计误差σ_c为5m/s，声速c设置在335m/s到345m/s时，通过对式(13)的仿真，得到如图6所示的关系曲线。

图6中，仰角估计误差σ_θc随声速c的减小而缓慢增大。当声速c一定时，估计误差σ_θc随仰角θ本身的增大而增大。值得一提的是，当仰角θ在0到80°间变化时，估计误差σ_θc小于0.1°。当仰角θ大于80°时，误差σ_θc随仰角θ的增大而急剧增大。在实际环境应用中，很有必要对声速进行测量，以提高测向精度。

3、阵元间距对定位性能影响

由式(9)看出，阵元间距d会影响仰角θ，但不影响水平偏角

和距离r。根据式(9)，得到由距离估计误差σ_d引起的仰角估计误差σ_θd为:

若距离估计误差σ_d为0.1m，对式(14)进行仿真，得到如图7所示的误差曲线。

图7表明了当仰角θ固定时，仰角估计误差σ_θd与阵元间距d成反比。略微增大距离d，可减小其对仰角测量精度的影响。同样重要的一点是，当距离d大于2m时，估计误差σ_θd小于3°。当仰角θ小于80°时，估计误差σ_θd小于1°；而当仰角θ大于80°时，误差σ_θd随仰角θ的增加而骤升。

适当增大阵元间距d，可减小仰角估计误差σ_θd。但距离d不能小于0.5m，否则误差σ_θd将会急剧上升。

实施例2：

本实施例在实际测量实验中，利用含有四元传声器阵列群的被动声源数据采集系统，在Keil4软件平台上编写程序，并通过接收串口Flymcu发送数据，得到9组相对时延值。引入声源定位数据互补方法，将测得结果与理论值进行比较分析。选择10％的偏差作为精度水平P，进行了室内实验。

室内测试场地选择在南京信息工程大学浦口区实验室，使用蓝牙音响模拟声源。在已知坐标的位置进行实验：(0.8m,2.3m,1.7m)，(1.9m,3.6m,2.4m)，(1.5m,3.3m,4.1m)，对应三组坐标将阵元间距调整为:0.6m、0.8m、1m。测量结果如表1到4所示：

表1 第一组实验数据

表2 第二组实验数据

表3 第三组实验数据

表4 声源定位数据误差率

表1到4显示，在室内噪声水平和混响较低的情况下，虽然实测数据与理论数据存在偏差，但实测数据误差仍在合理范围内。数据互补方法具有较高的稳定性，可用于实际实验中。

此外，表1至3表明并指出了数据偏差的存在，即表1中的第一副阵列、表2中的第二副阵列和表3中的主阵列存在数据偏差，继而采用数据互补方法对声源位置进行了重新确定。由于某一阵列存在的任何数据偏差都与其他两阵列的数据相关联，因此数据互补方法是有效的。虽然实测数据误差存在，但仍处于可接受范围内，数据互补方法使得声源定位精度得到了补偿。

由表1可知，阵列群测距误差为0.1448m，副第一副阵列的测距误差为0.4094m，测距精度提高了1.5472倍。阵列群水平偏角测量误差为0.19°，副第一副阵列的测量误差为2.72°，水平偏角测量精度提高了1.0751倍。阵列群的仰角测量误差为0.18°，副第一副阵列的测量误差为0.53°，仰角测量精度提高了1.5143倍。

由表2可知，阵列群测距误差为0.3736m，副第二副阵列的测距误差为0.8414m，测距精度提高了1.7986倍。阵列群水平偏角测量误差为0.56°，副第二副阵列的测量误差为1.52°，水平偏角测量精度提高了1.5833倍。阵列群的仰角测量误差为0.38°，副第二副阵列的测量误差为1.6°，仰角测量精度提高了1.3115倍。

由表3可知，阵列群测距误差为0.1058m，主阵列的测距误差为0.8257m，测距精度提高了1.1470倍。阵列群水平偏角测量误差为0.1°，主阵列的测量误差为0.24°，水平偏角测量精度提高了1.7143倍。阵列群的仰角测量误差为0.17°，主阵列的测量误差为0.53°，仰角测量精度提高了1.4722倍。

表4中，声源坐标误差率约为5％，角度误差率约为0.5％。由于测试场地的限制，将阵元间距最大设置为1m。参考声源定位性能分析部分，当增加阵元间距到2m时，声源定位误差将会进一步降低，这显示了数据互补方法的优越性。

根据上述实验结果，得到如下结论：

基于四元传声器阵列群模型和方位估计算法，提出了一种声源定位数据互补方法。通过该方法分析了阵列参数引起的测距和测向误差。利用阵列群测得数据，对数据进行互补处理，得到最终的声源位置。试验结果表明，该方法具有较好的稳定性和较准确的定位结果。另外，与现有的基于单个阵列的声源定位方法相比，数据互补方法不仅能够测量声源位置，而且对于保证声源定位的有效性有着促进作用。

在实际实验中，应合理摆放传声器，使传声器阵列能更好地与数据互补方法相结合，从而减少数据丢失或畸变对定位性能的影响。声源定位涉及到许多因素，如何将该方法应用到近场环境中进行声源定位，还有待于进一步研究。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，其特征在于，包括：

步骤1：建立四元传声器主阵列模型；

步骤2：建立四元传声器阵列群模型；

步骤3：基于四元传声器主阵列模型和四元传声器阵列群模型，对声源S共同定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，其特征在于，步骤1中，所述四元传声器主阵列模型包括4个传声器，分别是：

和

其中，d表示阵元间距；

声源S所处的空间位置为(x₁,y₁,z₁)，r表示声源S到阵元中心(0,0,0)的距离，r₁表示声源S到传声器A1的距离；

S'为声源S在X0Y平面上的投影点，方位角X0S'为

仰角Z0S为θ₁。

3.根据权利要求1所述的一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，其特征在于，步骤2具体为：基于四元传声器主阵列，建立包含主阵列和第一副阵列、第二副阵列的四元传声器阵列群；

所述第一副阵列和第二副阵列与主阵列的阵元排布相同；

为第一副阵列的中心，

为第二副阵列的中心；

其中，d表示阵元间距。

4.根据权利要求1所述的一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，其特征在于，步骤3中，以主阵列所在坐标系为基准，联合第一副阵列和第二副阵列，对声源S共同定位，包括以下步骤：

步骤a：基于四元传声器阵列群，得到基于主阵列测得的声源坐标(x₁,y₁,z₁)；

基于第一副阵列测得的声源坐标(x₂,y₂,z₂)；

基于第二副阵列测得的声源坐标(x₃,y₃,z₃)；

步骤b：对各阵列测得数据进行互补处理后，得到声源坐标(x,y,z)、方位角

和仰角θ。

5.根据权利要求4所述的一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，其特征在于，步骤a中：

r₁为声源S到传声器A1的距离，d表示阵元间距；

r₂为声源S到传声器A2的距离；

r₃为声源S到传声器A3的距离；

t₂₁为声源信号先到达传声器B1与后到达传声器A1的时间差；

t₃₁为声源信号先到达C1与后到达传声器A1的时间差；

t₄₁为声源信号先到达D1与后到达传声器A1的时间差；

声源S产生的声波以速度为c的球面波形式进行传播，d₂₁、d₃₁、d₄₁分别为对应时延值t₂₁、t₃₁、t₄₁的声程差；

同时，t₅、t₆、t₇、t₈分别是声源S传播到传声器A2(2d,0,0)、

C2(d,0,0)、

的时间，三组相对时延值为：t₆₅＝t₆-t₅，t₇₅＝t₇-t₅，t₈₅＝t₈-t₅，声程差为：d₆₅＝ct₆₅，d₇₅＝ct₇₅，d₈₅＝ct₈₅；

t₉，t₁₀,，t₁₁，t₁₂分别是声源S传播到传声器

B3(0,2d,0)、

D3(0,d,0)的时间，三组相对时延值为：t_10,9＝t₁₀-t₉，t_11,9＝t₁₁-t₉，t_12,9＝t₁₂-t₉，声程差为：d_10,9＝ct_10,9，d_11,9＝ct_11,9，d_12,9＝ct_12,9。

6.根据权利要求4所述的一种基于四元传声器阵列群的声源定位数据互补方法，其特征在于，步骤b中：

1)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当主阵列与第一副阵列和第二副阵列各轴数据误差均小于P％时，对各轴数据进行互补处理，得到声源位置为：

当

i＝2,3时，

2)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当主阵列与第一副阵列和第二副阵列中任一副阵列各轴数据误差大于P％，且主阵列与另一副阵列各轴数据误差小于P％时，利用数据处理方法后得到的表达式如下：

当

或

或

且

时，

3)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当任意两个阵列之间测得的任意轴数据误差均大于P％时，将声源定位数据置零，对应表达式为：

当

或

或

且

或

或

i＝2,3时，

4)对于(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3，当第一副阵列和第二副阵列测得的各轴数据误差均小于p％，且第一副阵列和第二副阵列与主阵列间的各轴误差大于P％时，利用数据处理方法后得到的表达式如下：

当

且

或

或

i＝2,3时，

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