CN113868583B - 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统 - Google Patents

一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113868583B
CN113868583B CN202111471505.2A CN202111471505A CN113868583B CN 113868583 B CN113868583 B CN 113868583B CN 202111471505 A CN202111471505 A CN 202111471505A CN 113868583 B CN113868583 B CN 113868583B
Authority
CN
China
Prior art keywords
array
sound source
sub
subarray
time delay
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111471505.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113868583A (zh
Inventor
曹祖杨
张凯强
黄明
杜子哲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd
Original Assignee
Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd filed Critical Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd
Priority to CN202111471505.2A priority Critical patent/CN113868583B/zh
Publication of CN113868583A publication Critical patent/CN113868583A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113868583B publication Critical patent/CN113868583B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/20—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/30—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization

Abstract

本发明公开了一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统，方法包括步骤：S1、计算每个阵元的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；S2、将麦克风阵列划分为多个子阵，获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；S3、基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；S4、基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系；S5、基于时间延迟关系，计算平均时间延迟；S6、获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离，并基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。计算声源距离的计算过程抗干扰能力强，鲁棒性强，精度高、复杂度小。

Description

一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统
技术领域
本发明属于声源信号检测技术领域，具体涉及一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统。
背景技术
声学成像（acoustic imaging）是基于传声器阵列测量技术，通过测量一定空间内的声波到达各传声器的信号相位差异，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即取得空间声场分布云图－声像图，其中以图像的颜色和亮度代表强弱。可见 目前对于声源位置的定位研究已较为成熟，但对于声源信号到声像仪的距离计算，目前并没有较多研究，计算方案或者计算精度不高，或者较为复杂。
例如公开号为CN103076593B的中国专利，其公开了一种声源定位方法及装置，该方法包括：将通过麦克风阵列接收的声源信号转化成数字声音信号，所述麦克风阵列中包括多个麦克风；对所述数字声音信号进行频谱提取和白化处理，得到针对每个麦克风的数字声音信号的白化频谱；根据针对每个麦克风的数字声音信号的白化频谱计算出声源位置第一值；根据所述声源位置第一值为可控响应功率计算中的每一对交叉相关函数赋予权重系数，根据权重系数计算声源位置第二值；比较所述声源位置第一值与所述声源位置第二值，根据比较结果确定最终的声源位置。本发明通过为可控响应功率计算中的每一对交叉相关函数赋予权重系数，弱化不可靠的交叉相关函数对最终定位结果的影响，从而提高了声源定位的鲁棒性，但是其并未给出计算声源信号到麦克风阵列距离的方案。
因此亟需一种方案，能够计算声源信号到声像仪的距离，且计算精度较高、复杂度低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统，可计算声源信号到声像仪的距离，且抗干扰能力强，鲁棒性强，计算精度高、复杂度小。
本发明采用以下技术方案：
一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，包括步骤：
S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
S2、将麦克风阵列划分为多个子阵，基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；
S3、基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；
S4、基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，中子阵位于麦克风阵列中间区域；
S5、基于中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，计算中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟；
S6、获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离，并基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。
作为优选方案，步骤S1中，包括步骤：
S1.1、以麦克风阵列的中心为参考中心，计算得到各阵元接收声源信号的时间延迟；
S1.2、根据各阵元接收声源信号的时间延迟，得到各阵元接收声源信号的相位移动；
S1.3、根据各阵元接收声源信号的相位移动，得到各阵元的阵列流型矩阵。
作为优选方案，步骤S1.1中，采用二维平面的麦克风阵列，各阵元接收声源信号的时间延迟，计算公式为：
Figure 164079DEST_PATH_IMAGE001
（1），
其中，
Figure 295983DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 87221DEST_PATH_IMAGE003
分别表示声源信号相对于
Figure 962774DEST_PATH_IMAGE004
平面、
Figure 260418DEST_PATH_IMAGE005
平面的入射角度，
Figure 94382DEST_PATH_IMAGE006
表示声速，
Figure 841758DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 521001DEST_PATH_IMAGE008
分别表示第
Figure 935802DEST_PATH_IMAGE009
号阵元的
Figure 675088DEST_PATH_IMAGE005
方向坐标和
Figure 909760DEST_PATH_IMAGE004
方向坐标，
Figure 127115DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 662002DEST_PATH_IMAGE011
表示阵元个数。
作为优选方案，步骤S1.2中，各阵元接收声源信号的相位移动，计算公式为：
Figure 840698DEST_PATH_IMAGE012
（2），
其中，
Figure 562666DEST_PATH_IMAGE013
表示信号频率，
Figure 583712DEST_PATH_IMAGE014
表示虚数算子。
作为优选方案，步骤S1.3中各阵元的阵列流型矩阵为：
Figure 441946DEST_PATH_IMAGE015
（3），
其中，
Figure 788614DEST_PATH_IMAGE016
表示
Figure 263458DEST_PATH_IMAGE004
维网格个数，
Figure 88194DEST_PATH_IMAGE017
表示
Figure 66514DEST_PATH_IMAGE005
维网格个数。
作为优选方案，步骤S2中，包括步骤：
S2.1、将麦克风阵列划分为左、中、右子阵；
S2.2、基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，计算公式如下：
Figure 318504DEST_PATH_IMAGE018
（4）
Figure 15065DEST_PATH_IMAGE019
（5）
Figure 646422DEST_PATH_IMAGE020
（6），
其中，
Figure 744828DEST_PATH_IMAGE021
表示左子阵空间能量分布，
Figure 902140DEST_PATH_IMAGE022
表示中子阵空间能量分布，
Figure 351576DEST_PATH_IMAGE023
表示右子阵空间能量分布，
Figure 518115DEST_PATH_IMAGE024
表示处理频带下限，
Figure 471027DEST_PATH_IMAGE025
表示处理频带上限，NL、NM、NR分别表示左、中、右子阵阵元个数，
Figure 64820DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 470393DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 440623DEST_PATH_IMAGE028
分别表示左、中、右子阵中第m号阵元的接收信号经过傅里叶变换的频域表示；
S2.3、基于各子阵空间能量分布，并通过极大值扫描，进而确定声源信号相对于左、中、右子阵的位置
Figure 528270DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 292964DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 451412DEST_PATH_IMAGE031
。
作为优选方案，步骤S3中具体为：左、中、右子阵分别将波束指向位置
Figure 959754DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 621680DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 822854DEST_PATH_IMAGE031
，以得到左、中、右子阵相应的聚焦信号，计算公式为：
Figure 203020DEST_PATH_IMAGE032
（7）
Figure 249473DEST_PATH_IMAGE033
（8）
Figure 31484DEST_PATH_IMAGE034
（9）。
作为优选方案，步骤S4中，时间延迟关系，计算公式为：
Figure 403560DEST_PATH_IMAGE035
（10）
Figure 273951DEST_PATH_IMAGE036
（11）
其中，
Figure 124096DEST_PATH_IMAGE037
表示左、中子阵之间的时间延迟，
Figure 26193DEST_PATH_IMAGE038
表示中、右子阵之间的时间延迟，
Figure 569169DEST_PATH_IMAGE039
表示提取相位运算，
Figure 658348DEST_PATH_IMAGE040
表示共轭运算；
步骤S5中，平均时间延迟的计算公式为：
Figure 577763DEST_PATH_IMAGE041
（12）
Figure 68787DEST_PATH_IMAGE042
（13）
其中，
Figure 782665DEST_PATH_IMAGE043
表示左、中子阵之间的平均时间延迟，
Figure 624719DEST_PATH_IMAGE044
表示中、右子阵之间的平均时间延迟。
作为优选方案，步骤S6中，具体包括以下步骤：
S6.1、获取中子阵的等效声中心和右子阵的等效声中心的间隔距离为
Figure 85175DEST_PATH_IMAGE045
，获取中子阵的等效声中心和左子阵的等效声中心的间隔距离为
Figure 430705DEST_PATH_IMAGE046
；
S6.2、基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离，计算公式为：
Figure 315485DEST_PATH_IMAGE047
（15）
其中：
Figure 644835DEST_PATH_IMAGE048
（14）。
相应地，还提供了一种子阵波束聚焦的声源距离计算系统，基于上述的计算方法，包括依次联接的矩阵构造模块、声源位置计算模块、聚焦信号计算模块、时间延迟计算模块、声源距离计算模块；声源位置计算模块包括子阵划分单元、位置计算单元，时间延迟计算模块包括延迟计算单元、平均延迟计算单元，声源距离计算模块包括间隔距离获取单元、距离计算单元；
矩阵构造模块，用于计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
子阵划分单元，用于将麦克风阵列划分为多个子阵；
位置计算单元，用于基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；
聚焦信号计算模块，用于基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；
延迟计算单元，用于基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，中子阵位于麦克风阵列中间区域；
平均延迟计算单元，用于基于中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，计算中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟；
间隔距离获取单元，用于获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离；
距离计算单元，用于基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。
本发明的有益效果是：
不仅可确定声源位置，还可在确定声源位置后对声源信号距离声像仪的距离进行计算，具体为通过将麦克风阵列划分为多个子阵，并基于中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟、中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离计算声源信号到麦克风阵列的声源距离，计算过程抗干扰能力强，鲁棒性强，计算精度高、复杂度小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法的流程图；
图2是二维麦克风阵列几何结构示意图；
图3是麦克风阵列子阵划分示意图；
图4是左子阵的空间能量分布图；
图5是中子阵的空间能量分布图；
图6是右子阵的空间能量分布图；
图7是本发明所述一种子阵波束聚焦的声源距离计算系统的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
参照图1所示，本实施例提供了一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，包括步骤：
S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
S2、将麦克风阵列划分为多个子阵，基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；
S3、基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；
S4、基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，中子阵位于麦克风阵列中间区域；
S5、基于中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，计算中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟；
S6、获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离，并基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。
可见，本发明不仅可确定声源位置，还可在确定声源位置后对声源信号距离声像仪的距离进行计算，具体为通过将麦克风阵列划分为多个子阵，并基于中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟、中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离计算声源信号到麦克风阵列的声源距离，计算过程抗干扰能力强，鲁棒性强，计算精度高、复杂度小。
需要说明的是，上述间隔距离对于每台声像仪是固定的，在出厂前测量一下即可。
具体地：
考虑二维平面的麦克风阵列，麦克风阵元分布在xy平面上。在平面波假设下，声源以一定的角度入射到麦克风阵列中，声波传播到每个麦克风阵元的时间各不相同。且考虑窄带信号或宽带信号频域处理，声源信号的时间延迟即信号的相位移动。因此，步骤S1中，包括步骤：
S1.1、以麦克风阵列的中心为参考中心，计算得到各阵元接收声源信号的时间延迟，计算公式为：
Figure 640473DEST_PATH_IMAGE001
（1），
其中，
Figure 840510DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 161770DEST_PATH_IMAGE003
分别表示声源信号相对于
Figure 712837DEST_PATH_IMAGE004
平面、
Figure 512166DEST_PATH_IMAGE005
平面的入射角度，
Figure 566709DEST_PATH_IMAGE006
表示声速，
Figure 61800DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 834584DEST_PATH_IMAGE008
分别表示第
Figure 172025DEST_PATH_IMAGE009
号阵元的
Figure 612233DEST_PATH_IMAGE005
方向坐标和
Figure 744137DEST_PATH_IMAGE004
方向坐标，
Figure 269797DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 145349DEST_PATH_IMAGE011
表示阵元个数，具体可参照图2所示。
S1.2、根据各阵元接收声源信号的时间延迟，得到各阵元接收声源信号的相位移动，计算公式为：
Figure 705643DEST_PATH_IMAGE012
（2），
其中，
Figure 8448DEST_PATH_IMAGE013
表示信号频率，
Figure 21404DEST_PATH_IMAGE014
表示虚数算子。
S1.3、根据各阵元接收声源信号的相位移动，得到各阵元的阵列流型矩阵，如下所示：
Figure 691858DEST_PATH_IMAGE049
（3），
其中，将二维空间网格化可以得到离散的二维角度，
Figure 841079DEST_PATH_IMAGE016
表示
Figure 580365DEST_PATH_IMAGE004
维网格个数，
Figure 815038DEST_PATH_IMAGE017
表示
Figure 297971DEST_PATH_IMAGE005
维网格个数。
波束形成是一种空域滤波方法，可以获得空间某方向的增强信号，已知阵列流型矩阵，通过波束形成的空间扫描，可以获得目标方位角度。
步骤S2中，将声像仪麦克风阵列分为左中右三个子阵，参照图3所示，图中左侧区域正方形代表左子阵，图中中间区域圆圈代表中子阵，图中右侧区域三角形代表右子阵。
已知阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描，可以获得目标方位角度。假设生源信号记为，通过空间传播，左子阵麦克风接收信号记为
Figure 567279DEST_PATH_IMAGE050
，中间子阵麦克风接收信号记为
Figure 211887DEST_PATH_IMAGE051
，右子阵麦克风接收信号记为
Figure 933855DEST_PATH_IMAGE052
。左、中、右子阵麦克风信号经过傅里叶变换的频域表示分别记为
Figure 954901DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 78715DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 162733DEST_PATH_IMAGE055
。
进一步，各子阵空间能量分布，计算公式如下：
Figure 371997DEST_PATH_IMAGE056
（4）
Figure 931154DEST_PATH_IMAGE057
（5）
Figure 909475DEST_PATH_IMAGE020
（6），
其中，
Figure 161465DEST_PATH_IMAGE021
表示左子阵空间能量分布，
Figure 858025DEST_PATH_IMAGE058
表示中子阵空间能量分布，
Figure 486453DEST_PATH_IMAGE023
表示右子阵空间能量分布，
Figure 319279DEST_PATH_IMAGE024
表示处理频带下限，
Figure 7750DEST_PATH_IMAGE025
表示处理频带上限，NL、NM、NR分别表示左、中、右子阵阵元个数，
Figure 191606DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 361075DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 313988DEST_PATH_IMAGE028
分别表示左、中、右子阵中第m号阵元的接收信号经过傅里叶变换的频域表示。
上述三个子阵的空间能量分布图分别参照图4-图6所示，最后基于各子阵空间能量分布，并通过极大值扫描，进而确定声源信号相对于左、中、右子阵的位置
Figure 907780DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 578933DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 549163DEST_PATH_IMAGE031
。
步骤S2中计算得到了声源信号在左、中、右子阵的空间位置为
Figure 622161DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 386855DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 279724DEST_PATH_IMAGE031
，步骤S3中，通过波束形成聚焦可以获得声源的频域信号。
左、中、右子阵分别将波束指向位置
Figure 522487DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 449992DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 388516DEST_PATH_IMAGE031
，以得到左、中、右子阵相应的聚焦信号，计算公式为：
Figure 768682DEST_PATH_IMAGE032
（7）
Figure 815135DEST_PATH_IMAGE033
（8）
Figure 597147DEST_PATH_IMAGE034
（9）。
步骤S4中，使用左、中、右子阵得到的各频点的聚焦信号
Figure 703643DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 571105DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 421249DEST_PATH_IMAGE061
，可以提取出三个子阵的时间延迟关系，计算公式为：
Figure 323346DEST_PATH_IMAGE035
（10）
Figure 600744DEST_PATH_IMAGE036
（11）
其中，
Figure 689922DEST_PATH_IMAGE037
表示左、中子阵之间的时间延迟，
Figure 358406DEST_PATH_IMAGE038
表示中、右子阵之间的时间延迟，
Figure 115009DEST_PATH_IMAGE039
表示提取相位运算，
Figure 563308DEST_PATH_IMAGE040
表示共轭运算。
进一步，步骤S5中，计算信号处理频段内的平均时间延迟，计算公式为：
Figure 405362DEST_PATH_IMAGE041
（12）
Figure 862889DEST_PATH_IMAGE042
（13）
其中，
Figure 208419DEST_PATH_IMAGE043
表示左、中子阵之间的平均时间延迟，
Figure 93199DEST_PATH_IMAGE044
表示中、右子阵之间的平均时间延迟。
步骤S6中，假设获取的中子阵的等效声中心和右子阵的等效声中心的间隔距离为
Figure 422549DEST_PATH_IMAGE045
，获取中子阵的等效声中心和左子阵的等效声中心的间隔距离为
Figure 152607DEST_PATH_IMAGE046
，并且
Figure 883803DEST_PATH_IMAGE048
（14）。
进一步，即可计算得到声源信号到麦克风阵列的声源距离，计算公式为：
Figure 207993DEST_PATH_IMAGE062
（15）。
这样就计算得到了声源信号到声像仪的距离
Figure 227901DEST_PATH_IMAGE063
。
本实施例提供的子阵波束聚焦的声源距离计算方法的仿真分析测试的结果如下表1所示，仿真声源的子阵接收信噪比为0dB：
声源信号理论距离 本实施例方法的距离计算结果
0.5m 0.48749m
1m 0.95108m
2m 2.16031m
5m 5.46335m
表1 距离计算仿真分析测试结果表
基于表1展示的数据，可证明采用本实施例方法计算声源信号到麦克风阵列的声源距离，计算准确度较高。
实施例二：
参照图7所示，本实施例提供一种子阵波束聚焦的声源距离计算系统，基于实施例一所述的计算方法，包括依次联接的矩阵构造模块、声源位置计算模块、聚焦信号计算模块、时间延迟计算模块、声源距离计算模块；声源位置计算模块包括子阵划分单元、位置计算单元，时间延迟计算模块包括延迟计算单元、平均延迟计算单元，声源距离计算模块包括间隔距离获取单元、距离计算单元；
矩阵构造模块，用于计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
子阵划分单元，用于将麦克风阵列划分为多个子阵；
位置计算单元，用于基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；
聚焦信号计算模块，用于基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；
延迟计算单元，用于基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，中子阵位于麦克风阵列中间区域；
平均延迟计算单元，用于基于中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，计算中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟；
间隔距离获取单元，用于获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离；
距离计算单元，用于基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。
需要说明的是，本实施例提供的一种子阵波束聚焦的声源距离计算系统，与实施例一类似，在此不多做赘述。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，包括步骤：
S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
S2、将麦克风阵列划分为多个子阵，基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；
S3、基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；
S4、基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，中子阵位于麦克风阵列中间区域；
S5、基于中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，计算中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟；
S6、获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离，并基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。
2.根据权利要求1所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S1中，包括步骤：
S1.1、以麦克风阵列的中心为参考中心，计算得到各阵元接收声源信号的时间延迟；
S1.2、根据各阵元接收声源信号的时间延迟，得到各阵元接收声源信号的相位移动；
S1.3、根据各阵元接收声源信号的相位移动，得到各阵元的阵列流型矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S1.1中，采用二维平面的麦克风阵列，各阵元接收声源信号的时间延迟，计算公式为：
Figure 178079DEST_PATH_IMAGE001
（1），
其中，
Figure 571014DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 408520DEST_PATH_IMAGE003
分别表示声源信号相对于
Figure 912314DEST_PATH_IMAGE004
平面、
Figure 558190DEST_PATH_IMAGE005
平面的入射角度，
Figure 387606DEST_PATH_IMAGE006
表示声速，
Figure 647161DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 954646DEST_PATH_IMAGE008
分别表示第
Figure 845241DEST_PATH_IMAGE009
号阵元的
Figure 579979DEST_PATH_IMAGE005
方向坐标和
Figure 126498DEST_PATH_IMAGE004
方向坐标，
Figure 972095DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 654880DEST_PATH_IMAGE011
表示阵元个数。
4.根据权利要求3所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S1.2中，各阵元接收声源信号的相位移动，计算公式为：
Figure 357257DEST_PATH_IMAGE012
（2），
其中，
Figure 125492DEST_PATH_IMAGE013
表示信号频率，
Figure 777709DEST_PATH_IMAGE014
表示虚数算子。
5.根据权利要求4所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S1.3中各阵元的阵列流型矩阵为：
Figure 642897DEST_PATH_IMAGE015
（3），
其中，
Figure 719437DEST_PATH_IMAGE016
表示
Figure 709390DEST_PATH_IMAGE004
维网格个数，
Figure 162368DEST_PATH_IMAGE017
表示
Figure 882063DEST_PATH_IMAGE005
维网格个数。
6.根据权利要求5所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S2中，包括步骤：
S2.1、将麦克风阵列划分为左、中、右子阵；
S2.2、基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，计算公式如下：
Figure 863925DEST_PATH_IMAGE018
（4）
Figure 606753DEST_PATH_IMAGE019
（5）
Figure 394581DEST_PATH_IMAGE020
（6），
其中，
Figure 906465DEST_PATH_IMAGE021
表示左子阵空间能量分布，
Figure 321878DEST_PATH_IMAGE022
表示中子阵空间能量分布，
Figure 614319DEST_PATH_IMAGE023
表示右子阵空间能量分布，
Figure 143520DEST_PATH_IMAGE024
表示处理频带下限，
Figure 775490DEST_PATH_IMAGE025
表示处理频带上限，NL、NM、NR分别表示左、中、右子阵阵元个数，
Figure 364734DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 82155DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 415047DEST_PATH_IMAGE028
分别表示左、中、右子阵中第m号阵元的接收信号经过傅里叶变换的频域表示；
S2.3、基于各子阵空间能量分布，并通过极大值扫描，进而确定声源信号相对于左、中、右子阵的位置
Figure 167102DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 723986DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 943350DEST_PATH_IMAGE031
。
7.根据权利要求6所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S3中具体为：左、中、右子阵分别将波束指向位置
Figure 814354DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 420916DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 351963DEST_PATH_IMAGE031
，以得到左、中、右子阵相应的聚焦信号，计算公式为：
Figure 840713DEST_PATH_IMAGE032
（7）
Figure 515408DEST_PATH_IMAGE033
（8）
Figure 976477DEST_PATH_IMAGE034
（9）。
8.根据权利要求7所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S4中，时间延迟关系，计算公式为：
Figure 547266DEST_PATH_IMAGE035
（10）
Figure 989224DEST_PATH_IMAGE036
（11）
其中，
Figure 467610DEST_PATH_IMAGE037
表示左、中子阵之间的时间延迟，
Figure 252027DEST_PATH_IMAGE038
表示中、右子阵之间的时间延迟，
Figure 728139DEST_PATH_IMAGE039
表示提取相位运算，
Figure 332426DEST_PATH_IMAGE040
表示共轭运算；
步骤S5中，平均时间延迟的计算公式为：
Figure 820695DEST_PATH_IMAGE041
（12）
Figure 459618DEST_PATH_IMAGE042
（13）
其中，
Figure 841052DEST_PATH_IMAGE043
表示左、中子阵之间的平均时间延迟，
Figure 135898DEST_PATH_IMAGE044
表示中、右子阵之间的平均时间延迟。
9.根据权利要求8所述的一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法，其特征在于，步骤S6中，具体包括以下步骤：
S6.1、获取中子阵的等效声中心和右子阵的等效声中心的间隔距离为
Figure 359682DEST_PATH_IMAGE045
，获取中子阵的等效声中心和左子阵的等效声中心的间隔距离为
Figure 587532DEST_PATH_IMAGE046
；
S6.2、基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离，计算公式为：
Figure 405446DEST_PATH_IMAGE047
（15）
其中：
Figure 46643DEST_PATH_IMAGE048
（14）。
10.一种子阵波束聚焦的声源距离计算系统，基于权利要求1-9任一项所述的计算方法，其特征在于，包括依次联接的矩阵构造模块、声源位置计算模块、聚焦信号计算模块、时间延迟计算模块、声源距离计算模块；声源位置计算模块包括子阵划分单元、位置计算单元，时间延迟计算模块包括延迟计算单元、平均延迟计算单元，声源距离计算模块包括间隔距离获取单元、距离计算单元；
矩阵构造模块，用于计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
子阵划分单元，用于将麦克风阵列划分为多个子阵；
位置计算单元，用于基于阵列流型矩阵，通过每个子阵分别进行波束形成空间扫描以获得各子阵空间能量分布，进而确定声源信号相对于各子阵的位置；
聚焦信号计算模块，用于基于各子阵以及声源信号相对于各子阵的位置，进行波束形成聚焦，以获取各子阵相应的聚焦信号；
延迟计算单元，用于基于各子阵相应的聚焦信号，提取得到中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，中子阵位于麦克风阵列中间区域；
平均延迟计算单元，用于基于中子阵与其余各子阵之间的时间延迟关系，计算中子阵与其余各子阵之间的平均时间延迟；
间隔距离获取单元，用于获取中子阵与其余各子阵等效声中心之间的间隔距离；
距离计算单元，用于基于平均时间延迟、间隔距离，计算声源信号到麦克风阵列的声源距离。
CN202111471505.2A 2021-12-06 2021-12-06 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统 Active CN113868583B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111471505.2A CN113868583B (zh) 2021-12-06 2021-12-06 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111471505.2A CN113868583B (zh) 2021-12-06 2021-12-06 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113868583A CN113868583A (zh) 2021-12-31
CN113868583B true CN113868583B (zh) 2022-03-04

Family

ID=78985861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111471505.2A Active CN113868583B (zh) 2021-12-06 2021-12-06 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113868583B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114624689B (zh) * 2022-05-12 2022-09-23 杭州兆华电子股份有限公司 一种基于声像仪的近场聚焦声源距离计算方法及系统
CN114741652A (zh) * 2022-06-10 2022-07-12 杭州兆华电子股份有限公司 一种基于声像仪的解卷积高分辨成像方法及系统
CN114994607B (zh) * 2022-08-03 2022-11-04 杭州兆华电子股份有限公司 一种支持变焦的声学成像方法
CN115452141B (zh) * 2022-11-08 2023-03-31 杭州兆华电子股份有限公司 一种非均匀声学成像方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104464739B (zh) * 2013-09-18 2017-08-11 华为技术有限公司 音频信号处理方法及装置、差分波束形成方法及装置
CN104794894B (zh) * 2015-01-29 2018-02-27 青岛智能产业技术研究院 一种汽车鸣笛噪声监视装置、系统及方法
CN112034418A (zh) * 2020-09-15 2020-12-04 北京中电慧声科技有限公司 基于频域Bark子带的波束扫描方法及声源定向装置
CN112435681B (zh) * 2020-10-26 2022-04-08 天津大学 一种基于声聚焦和麦克风阵列波束形成的语音增强方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113868583A (zh) 2021-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113868583B (zh) 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统
Hu et al. Ultrasonic sparse-TFM imaging for a two-layer medium using genetic algorithm optimization and effective aperture correction
Liu et al. Beamforming correction for dipole measurement using two-dimensional microphone arrays
CN112180329A (zh) 一种基于阵元随机均匀分布球阵反卷积波束形成的汽车噪声源声成像方法
CN109490419A (zh) 一种全聚焦成像的声束校准方法
CN109343003B (zh) 一种快速迭代收缩波束形成声源识别方法
CN109489796A (zh) 一种基于单元辐射法的水下复杂结构辐射噪声源定位识别与声辐射预报方法
CN109001297A (zh) 基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法
CN115856101A (zh) 一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法
CN109100711B (zh) 一种深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法
CN110736976A (zh) 一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法
CN103048641A (zh) 具有联合约束优化形式的矢量阵稳健聚焦处理方法
Ma et al. Spatiotemporal two-dimensional deconvolution beam imaging technology
CN112684005A (zh) 基于二维矩阵换能器的全聚焦检测方法
AU2010297455B2 (en) Method and device for measuring a profile of the ground
Sun et al. Performance analysis of beamforming algorithm based on compressed sensing
CN111077497A (zh) 一种用于声源定位的装置及方法
CN115656926A (zh) 一种用于电力设备异响监测的定位识别方法和装置
CN113359196B (zh) 基于子空间法和dbf的多目标生命体征探测方法
Li et al. Wind parameters measurement method based on co-prime array signal processing
CN115902853B (zh) 一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法
CN113534041B (zh) 一种基于eckart滤波器的单矢量水听器高分辨doa估计方法
CN114858271B (zh) 一种声音探测用的阵列放大方法
CN113624330B (zh) 一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法
CN115575896B (zh) 一种针对非点声源声源图像的特征增强方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 311100 building 3, No.10 Xianqiao Road, Zhongtai street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant after: Hangzhou Zhaohua Electronics Co.,Ltd.

Address before: 311100 building 3, No.10 Xianqiao Road, Zhongtai street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant before: CRY SOUND CO.,LTD.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant