CN111665422A - 基于fpga的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统 - Google Patents

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CN111665422A CN202010511732.2A CN202010511732A CN111665422A CN 111665422 A CN111665422 A CN 111665422A CN 202010511732 A CN202010511732 A CN 202010511732A CN 111665422 A CN111665422 A CN 111665422A
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吴万里
马德平
陶军泽
陶志豪
李俊岭
吴庆贺
梁觉玺
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ZHENGZHOU JINGCHENG ELECTRIC POWER EQUIPMENT CO LTD
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ZHENGZHOU JINGCHENG ELECTRIC POWER EQUIPMENT CO LTD
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    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1209—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing using acoustic measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，包括：由124个麦克风组成二维面阵的麦克风阵列模块、FPGA数据处理模块、MCU控制模块、4G网络模块、摄像头模块、液晶显示模块、电源模块，其中，所述麦克风阵列模块电连接至所述FPGA数据处理模块，所述FPGA数据处理模块、所述4G网络模块、所述摄像头模块以及所述液晶显示模块分别电连接至所述MCU控制模块。通过本发明的技术方案，整个系统集成化程度高，能够实时无损检测、声波信号频段覆盖广、抗干扰及数据处理能力强、定位精度高。

Description

基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体而言，涉及一种基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统。
背景技术
在工业化生产过程中，各类电气设备、管道气体泄漏和生产设备产生的异常声波的各种故障中对设备设施安全生产、可靠经济运行有着重大影响，故障检测在各种生产设备中的作用也更加举足轻重。就电气设备而言，从历年的故障统计来讲，局部放电是电气设备绝缘劣化的主要原因。目前电气设备局部放电定位的主要方法有电气定位法、光定位法、X射线激励定位法、红外检测法、无线电干扰电压法、化学检测法、超高频定位法、超声波定位法等。以上种种方法只有超声波定位法原理简单、直接对局部放电位置定位、抗电磁干扰能力强、检测设备成本低、能直接实现空间定位、易于实现在线和离线检测等优点，但传统的超声波定位系统集成度低，多采用单个麦克风传感器，单个麦克风传感器的灵敏度较低以及基于“时延估计”的定位算法性能不高，且其仅能用于特定频段的声波检测，不能做到宽频检测。通过麦克风阵列采集的局部放电的阵列信号与一般的信号处理方式不同，它主要利用信号的空域特性来增强信号及有效提取信号的空域信息，且在进行信号处理时通常采用DSP，但阵列信号的处理数据量大以及设备定位实时性的特点，利用DSP进行处理难以满足以上需求，对此目前还没有有效解决方案。
发明内容
本发明正是基于上述技术问题至少之一，提出了一种新的基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，整个系统集成化程度高，能够实时无损检测、声波信号频段覆盖广、抗干扰及数据处理能力强、定位精度高。
有鉴于此，根据本发明提出了一种基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，包括：由124个麦克风组成二维面阵的麦克风阵列模块、FPGA数据处理模块、MCU控制模块、4G网络模块、摄像头模块、液晶显示模块、电源模块，其中，所述麦克风阵列模块电连接至所述FPGA数据处理模块，所述FPGA数据处理模块、所述4G网络模块、所述摄像头模块以及所述液晶显示模块分别电连接至所述MCU控制模块。
在上述技术方案中，优选地，所述摄像头模块设置在所述二维面阵的中心。
在上述任一项技术方案中，优选地，所述麦克风阵列模块用于采集待故障定位设备产生的信号，并将采集到的信号发送至所述FPGA数据处理模块，基于所述FPGA数据处理模块利用DOA算法对所述信号进行处理，以得到所述信号的位置角度信息，并将所述信号的位置角度信息发送至所述MCU控制模块，所述摄像头模块用于采集待故障定位设备的视频信息，并将采集到的视频信息发送至所述MCU控制模块，所述MCU控制模块对所述信号的位置角度信息和所述视频信息进行叠加处理以得到所述待故障定位设备的位置，并基于所述液晶显示模块进行展示，其中，所述信号为麦克风阵列模块接收的声波信号而形成的多通道宽频段阵列信号。
在上述任一项技术方案中，优选地，所述MCU控制模块通过所述4G网络模块与远程后台进行无线通信。
通过以上技术方案，基于124个麦克风阵列采集待故障定位设备发生故障时产生的声波信号或其他适用场合的多通道宽频段阵列信号，利用DOA算法和FPGA快速处理阵列信号得到信号的位置角度信息(包括射方位角和俯仰角)，把位置角度信息和摄像头实时视频进行叠加通过可触控的液晶显示屏可以更加直观地发现待故障定位设备出现故障位置，具有良好的交互性，另外利用4G网络模块可以使系统在具有检测能力的基础上，对采集的数据进行上传和远程后台通信，便于远程后台基于上传的数据进行追溯。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统的结构框图；
图2示出了根据本发明的实施例的DOA算法的流程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合图1和图2对本发明的技术方案做进一步说明：
如图1所示，基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统包括：由124个麦克风组成二维面阵的麦克风阵列模块10、FPGA数据处理模块11、MCU控制模块12、4G网络模块13、摄像头模块14、液晶显示模块15、电源模块16。
其中，麦克风阵列模块10电连接至FPGA数据处理模块11，FPGA数据处理模块11、4G网络模块13、摄像头模块14以及液晶显示模块15分别电连接至MCU控制模块12。优选地，摄像头模块14设置在二维面阵的中心。
该系统具体地工作原理为：麦克风阵列模块10采集待故障定位设备产生的声波信号，并将采集到的信号发送至FPGA数据处理模块11，基于FPGA数据处理模块11利用DOA算法对信号进行处理，以得到信号的位置角度信息，具体DOA算法过程如图2所示，首先把阵列接收的信号采样之后经过离散傅里叶变换得到频域信号，频域信号经过相位补偿后求和输出，得到各频率点的频域信号，最后经过离散逆傅里叶变换得到对齐后的时域信号，其中x1(t)、x2(t)、…xM(t)为阵列接收的信号，M＝124为麦克风阵元数量，x1(l)、…xM(l)为采样信号，X1(1)、…XM(K)为离散傅里叶变换后的信号，K为离散傅里叶变换点数，
Figure BDA0002528631510000031
Figure BDA0002528631510000032
为各频率点对应的相位补偿，∑为求和，Y(1)、…Y(K)为各频率点相位补偿后的求和输出，y(l)为对齐后的时域信号，经DOA算法处理后得到的信号的位置角度信息发送至MCU控制模块12，摄像头模块14采集待故障定位设备的视频信息，并将采集到的视频信息发送至MCU控制模块12，MCU控制模块12对信号的位置角度信息和视频信息进行叠加处理以得到待故障定位设备的位置，并基于液晶显示模块15进行展示，进一步地，MCU控制模块12通过4G网络模块13与远程后台进行无线通信。基于124个麦克风阵列采集待故障定位设备发生故障时产生的声波信号，利用DOA算法和FPGA快速处理阵列信号得到信号的位置角度信息(包括射方位角和俯仰角)，把位置角度信息和摄像头实时视频进行叠加通过可触控的液晶显示屏可以更加直观地发现待故障定位设备出现故障位置，具有良好的交互性，另外利用4G网络模块可以使系统在具有检测能力的基础上，对采集的数据进行上传和远程后台通信，便于远程后台基于上传的数据进行追溯。
另外需要说明的是，基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统可以封装在一个可手持的壳体中，如此在使用时便于携带，使用更加方便。
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，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)

1.一种基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，其特征在于，包括：
由124个麦克风组成二维面阵的麦克风阵列模块、FPGA数据处理模块、MCU控制模块、4G网络模块、摄像头模块、液晶显示模块、电源模块，其中，所述麦克风阵列模块电连接至所述FPGA数据处理模块，所述FPGA数据处理模块、所述4G网络模块、所述摄像头模块以及所述液晶显示模块分别电连接至所述MCU控制模块。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，其特征在于，所述摄像头模块设置在所述二维面阵的中心。
3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，其特征在于，
所述麦克风阵列模块用于采集待故障定位设备产生的信号，并将采集到的信号发送至所述FPGA数据处理模块，基于所述FPGA数据处理模块利用DOA算法对所述信号进行处理，以得到所述信号的位置角度信息，并将所述信号的位置角度信息发送至所述MCU控制模块，所述摄像头模块用于采集待故障定位设备的视频信息，并将采集到的视频信息发送至所述MCU控制模块，所述MCU控制模块对所述信号的位置角度信息和所述视频信息进行叠加处理以得到所述待故障定位设备的位置，并基于所述液晶显示模块进行展示，其中，所述信号为麦克风阵列模块接收的声波信号而形成的多通道宽频段阵列信号。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的麦克风阵列非侵入式宽频声波实时成像检测系统，其特征在于，所述MCU控制模块通过所述4G网络模块与远程后台进行无线通信。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092965A (zh) * 2021-04-09 2021-07-09 华北电力大学（保定） 一种基于麦克风阵列的换流阀设备缺陷局部放电检测装置
CN113791323A (zh) * 2021-09-14 2021-12-14 南京土星视界科技有限公司 基于智能声纹识别技术的便携式异常放电超声检测装置
TWI802122B (zh) * 2021-01-29 2023-05-11 美商天工方案公司 測試聲波裝置之方法

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