CN114325584B - 基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法及系统，其方法包括步骤：S1以第一预设距离为步长，标定多个与麦克风阵列平行的虚平面；S2选择其中一个虚平面，麦克风阵列成像仪在该虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离；S3分别基于移动过程中的多个位置处麦克风阵列成像仪接收到的声源信号形成多个波束；S4基于形成的多个波束进行声源成像，并记录该虚平面成像热力图的最大值；S5重复步骤S2‑S4，直至完成所有虚平面成像热力图的最大值记录；S6比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图。本发明可在不增加超声波麦克风阵元的情况下，实现对声源信号的三维定位并提高信号信噪比和成像清晰度。

Description

基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法及系统

技术领域

本发明属于声源信号检测技术领域，具体涉及基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法及系统。

背景技术

空间声源定位是噪声与振动控制领域中的一个重要问题。波束形成技术是一项处理阵列信号的技术，应用于声呐、雷达等领域，传统波束形成技术需要传感器数量多，计算复杂，一般是针对声源离接收点较远的情况。对于船舱、车辆内部这种声源离接收点较近的情况，若采用较少的传感器，运用传统的波束形成算法，对于远场平面波声源定位，不能取得很好的结果，也无法对声源的三维位置进行较好定位。

多阵元超声波成像技术利用多阵元成像可以很好的提高信号的信噪比。但是阵元数量增多，会带来经济成本增加，同时计算复杂度也会提升。

声学成像仪是基于麦克风阵列测量技术，通过测量一定空间内的声波到达各麦克风的信号的相位差异，并应用一定的声源位置估算方法确定声源的分布，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间中分布的仪器。仪器将声源分布图像用颜色或亮度代表声源信号强弱分布，并将声源分布图像同光学摄像头画面融合呈现最终测试结果。

基于声学成像仪器还原声场分布的功能特点可以用于用各类声源分布相关的测试、测量应用场景。早期该类技术主要应用汽车制造行业用于测量汽车行驶噪声品质检测，应用于飞机制造行业测量飞机飞行时声场分布状态。近些年随着声学成像仪器低成本方案的出现，该类仪器也渐渐开始应用于各类带压气体泄漏检测和电力设备局部放电检测等行业。

综上所述，一种在不增加超声波麦克风阵元的情况下，能够实现对声源信号的三维定位并提高信号信噪比和成像清晰度的技术迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法及系统，可在不增加超声波麦克风阵元得情况下，实现对声源信号的三维定位并提高信号信噪比和成像清晰度。

本发明采用以下技术方案：

基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，包括步骤：

S1、以第一预设距离为步长，标定多个与麦克风阵列平行的虚平面；

S2、选择其中一个虚平面，麦克风阵列成像仪在该虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离；

S3、分别基于移动过程中的多个位置处麦克风阵列成像仪接收到的声源信号形成多个波束；

S4、基于形成的多个波束进行声源成像，并记录该虚平面成像热力图的最大值；

S5、重复步骤S2-S4，直至完成所有虚平面成像热力图的最大值记录；

S6、比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图。

作为优选方案，步骤S1中，第一预设距离为0.05m~0.1m。

作为优选方案，步骤S2中，预设轨迹为一直线。

作为优选方案，步骤S2中，麦克风阵列成像仪移动速度为1m/s~3m/s。

作为优选方案，步骤S2中，第二预设距离为5m~7m。

作为优选方案，步骤S3中，每隔预设时间，基于当下位置处麦克风阵列成像仪中每个麦克风阵元接收到的声源信号形成波束，从而得到多个位置处相应的多个波束。

作为优选方案，步骤S3中，所述基于当下位置处麦克风阵列成像仪中每个麦克风阵元接收到的声源信号形成波束，具体包括以下步骤：

S3.1、对所有麦克风阵元接收到的声源信号进行时间对齐；

S3.2、对时间对齐后的声源信号进行加权求和处理，以形成波束。

作为优选方案，步骤S3中，预设时间为0.1秒~0.5秒。

相应地，还提供了基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像系统，基于上述的成像方法，包括麦克风阵列成像仪、虚平面标定模块，麦克风阵列成像仪包括依次联接的麦克风阵列、波束形成模块、成像模块、比较模块以及显示模块，虚平面标定模块与麦克风阵列联接；

虚平面标定模块，用于以第一预设距离为步长，构建多个与麦克风阵列平行的虚平面；

麦克风阵列，用于分别在每个虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离，并在移动过程中接收声源信号；

波束形成模块，用于分别基于麦克风阵列在每个虚平面上多个位置处接收到的声源信号，形成每个虚平面相应的多个波束；

成像模块，用于分别基于每个虚平面相应的多个波束进行声源成像，以得到每个虚平面的成像热力图，并记录每个虚平面成像热力图的最大值；

比较模块，比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，并选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图；

显示模块，用于显示声源三维成像图。

作为优选方案，波束形成模块包括联接的时间对齐单元、加权单元；

时间对齐单元，用于对相应位置处麦克风阵列中每个麦克风阵元接收到的声源信号进行时间对齐；

加权单元，用于对时间对齐后的声源信号进行加权求和处理，以形成相应位置处的波束。

本发明的有益效果是：

利用合成孔径技术，将原有小孔径阵列扩大到大孔径阵列，在不增加仪器设备和成本的情况下，实现远距离、高精度的合成孔径雷达成像。

提出的基于合成孔径的超声波高清成像方法，操作简单、成本低廉，可以用作工业系统上远距离、非视距进行声波源成像和探测工作。

通过麦克风阵列成像仪在多个虚平面上分别进行合成孔径超声波高清声源成像，得到多个虚平面对应的成像热力图，并根据多个成像热力图，获取声源三维成像图，实现了声源信号的三维位置定位。

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是本发明所述基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法的流程图；

图2是多个虚平面的示意图；

图3是麦克风阵列成像仪在虚平面移动过程示意图；

图4是128麦克风阵列成像仪原始孔径图；

图5是原始成像效果示意图；

图6是合成孔径成像效果示意图；

图7是基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像系统的结构示意图。

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、图2、图3所示，本实施例提供了基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，包括步骤：

S1、以第一预设距离为步长，标定多个与麦克风阵列平行的虚平面；

S2、选择其中一个虚平面，麦克风阵列成像仪在该虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离；

S3、分别基于移动过程中的多个位置处麦克风阵列成像仪接收到的声源信号形成多个波束；

S4、基于形成的多个波束进行声源成像，并记录该虚平面成像热力图的最大值；

S5、重复步骤S2-S4，直至完成所有虚平面成像热力图的最大值记录；

S6、比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图。

可见，本实施例利用合成孔径技术，将原有小孔径阵列扩大到大孔径阵列，在不增加仪器设备和成本的情况下，实现远距离、高精度的合成孔径雷达成像。

提出的基于合成孔径的超声波高清成像方法，操作简单、成本低廉，可以用作工业系统上远距离、非视距进行声波源成像和探测工作。

通过麦克风阵列成像仪在多个虚平面上分别进行合成孔径超声波高清声源成像，得到多个虚平面对应的成像热力图，并根据多个成像热力图，获取声源三维成像图，实现了声源信号的三维位置定位。

具体地：

常规波束形成算法作为最基本的声学可视化技术，基于“延时、求和”原理，由于原理简单、适应性强等优点得到了广泛的应用。波束形成技术的核心思想是增大主瓣方向的增益并将干扰置零，以实现从干扰信号中增强目标信号的作用。传统的波束形成亦称空域滤波，其实质是通过加权求和的方式对信源进行空域滤波。这样的滤波过程可以细分为时间对齐和加权求和两个过程，前者的目的是使接收到的信号在时间上同步，后者对时间对齐后的信号进行加权求和处理，使得增益叠加在一起，形成“波束”，并使得期望信号输出最大功率位置，达到空域滤波的目的。在声源识别研究中，声源与阵列之间的距离有限，声源的辐射更加接近近场球面波模型。

在时域上，延时信号可以被求和为：

其中，M为阵元个数，

为第m个麦克风的权值，

为第m个麦克风收到的信号，t 为标定麦克风声源到达时间，

为麦克风声源到达时间差。假设第M个麦克风为标定麦克 风。假设阵元间隔均匀。假设波束形成在麦克风阵列所在的平面。

同样，对上述信号，在频域领域上，可以求和为：

其中，

表示虚数单位，

表示角频率

基于上式，可以得到每个麦克风的接收信号X(t)为

其中，

为各个麦克风接收信号，

，

为麦克风到声源的方 向向量，

为声源倾角，

表示信号，

表示声信号波长，

表示阵元间距。

最终得到的总的合成信号为：

其中，T代表矩阵转置，H代表共轭转置。

因此，多通道波束形成是对各个麦克风通道接收信号进行加权重因子系数调节并 相加的过程。对各个阵元来说，信号在一瞬间的幅值相同，使用不同的权矢量作加权处理， 一般只做信号的相位调整，不做幅度改变。由此可知，如果空间中仅存在一个方向的波信 号，其导向矢量为

时，则输出信号的最大值为：

为使信号达到最大的合成角，

为最大波束形成信号。

这时阵列各路信号加权相干叠加，为经典的固定波束形成(Fixed Beamforming)。其中，Max为主瓣高度，其余为旁瓣高度，主瓣宽度即为成像分辨率。

以上为常规波束形成方法的解释，以下对本申请中合成孔径三维成像方法进行说明：

首先针对每一虚平面上的合成孔径声源成像进行说明：

参照图4所示，本实施例中所述麦克风阵列成像仪，采用128阿基米德螺线麦克风阵列被动成像仪，128表示阿基米德螺线麦克风阵列中的阵元数量。参照图3所示，针对每一虚平面，手持麦克风阵列成像仪按照直线方向正向前进，行走速度以2m/s的步速前进，共前进5m，在前进过程中，每隔0.1s，基于当下位置处麦克风阵列成像仪中每个麦克风阵元接收到的声源信号形成波束，从而得到多个位置处相应的多个波束，成像时基于当下位置处的波束以及当下位置之前的位置处相应的波束进行声源成像。在前进过程中，每个位置处的成像结果均予以保存，且保存刷新率为10Hz，即0.1s一次。这样既可以扩大孔径，也可以节约麦克风阵元，最大程度减少成本。

参照图5、图6所示，图5为原始成像效果，图6为合成孔径成像效果。可以看出合成孔径的成像强度和分辨率要更高（峰值更高且主瓣宽度不变）。

以上为高清合成孔径成像的原理解释，接下来针对声源的三维成像进行说明：

对声源进行三维成像的要求：声源与麦克风阵列必须形成近场信号，若为远场信号则不能进行三维定位。而上述合成孔径成像方法则可以将远场信号转变为近场信号，提升定位精度。

因此声源三维成像的方案为：

1、参照图2所示，以0.1m为步长，标定多个与麦克风阵列平行的虚平面；

2、对每一个虚平面进行上述合成孔径超声波高清声源成像，并记录该虚平面的成像热力图的最大值；

3、重复步骤2，直至完成所有虚平面成像热力图的最大值记录；

4、比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图，进一步即可基于最大数值对应的虚平面距离麦克风阵列平面的距离，求得声源所在三维位置，即完成了声源信号的三维位置定位。

实施例二：

参照图7所示，本实施例提供基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像系统，基于实施例一所述的成像方法，包括麦克风阵列成像仪、虚平面标定模块，麦克风阵列成像仪包括依次联接的麦克风阵列、波束形成模块、成像模块、比较模块以及显示模块，虚平面标定模块与麦克风阵列联接；

虚平面标定模块，用于以第一预设距离为步长，构建多个与麦克风阵列平行的虚平面；

麦克风阵列，用于分别在每个虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离，并在移动过程中接收声源信号；

波束形成模块，用于分别基于麦克风阵列在每个虚平面上多个位置处接收到的声源信号，形成每个虚平面相应的多个波束；

成像模块，用于分别基于每个虚平面相应的多个波束进行声源成像，以得到每个虚平面的成像热力图，并记录每个虚平面成像热力图的最大值；

比较模块，比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，并选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图；

显示模块，用于显示声源三维成像图。

具体地：

波束形成模块包括联接的时间对齐单元、加权单元；

时间对齐单元，用于对相应位置处麦克风阵列中每个麦克风阵元接收到的声源信号进行时间对齐；

加权单元，用于对时间对齐后的声源信号进行加权求和处理，以形成相应位置处的波束。

需要说明的是，本实施例提供的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像系统，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 (9)

1.基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，包括步骤：

S1、以第一预设距离为步长，标定多个与麦克风阵列平行的虚平面；

S2、选择其中一个虚平面，麦克风阵列成像仪在该虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离；

S3、分别基于移动过程中的多个位置处麦克风阵列成像仪接收到的声源信号形成多个波束；

S4、基于形成的多个波束进行声源成像，并记录该虚平面成像热力图的最大值；

S5、重复步骤S2-S4，直至完成所有虚平面成像热力图的最大值记录；

S6、比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图；

步骤S3中，每隔预设时间，基于当下位置处麦克风阵列成像仪中每个麦克风阵元接收到的声源信号形成波束，从而得到多个位置处相应的多个波束。

2.根据权利要求1所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，步骤S1中，第一预设距离为0.05m-0.1m。

3.根据权利要求1所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，步骤S2中，预设轨迹为一直线。

4.根据权利要求1所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，步骤S2中，麦克风阵列成像仪移动速度为1m/s-3m/s。

5.根据权利要求1所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，步骤S2中，第二预设距离为5m-7m。

6.根据权利要求1所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，步骤S3中，所述基于当下位置处麦克风阵列成像仪中每个麦克风阵元接收到的声源信号形成波束，具体包括以下步骤：

S3.1、对所有麦克风阵元接收到的声源信号进行时间对齐；

S3.2、对时间对齐后的声源信号进行加权求和处理，以形成波束。

7.根据权利要求1所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，步骤S3中，预设时间为0.1秒-0.5秒。

8.基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像系统，基于权利要求1-7任一项所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像方法，其特征在于，包括麦克风阵列成像仪、虚平面标定模块，麦克风阵列成像仪包括依次联接的麦克风阵列、波束形成模块、成像模块、比较模块以及显示模块，虚平面标定模块与麦克风阵列联接；

虚平面标定模块，用于以第一预设距离为步长，构建多个与麦克风阵列平行的虚平面；

麦克风阵列，用于分别在每个虚平面上按预设轨迹移动第二预设距离，并在移动过程中接收声源信号；

波束形成模块，用于分别基于麦克风阵列在每个虚平面上多个位置处接收到的声源信号，形成每个虚平面相应的多个波束；

成像模块，用于分别基于每个虚平面相应的多个波束进行声源成像，以得到每个虚平面的成像热力图，并记录每个虚平面成像热力图的最大值；

比较模块，比较所有虚平面成像热力图的最大值大小，并选取最大数值对应的成像热力图作为声源三维成像图；

显示模块，用于显示声源三维成像图。

9.根据权利要求8所述的基于合成孔径的多阵元超声波声源三维成像系统，其特征在于，波束形成模块包括联接的时间对齐单元、加权单元；

时间对齐单元，用于对相应位置处麦克风阵列中每个麦克风阵元接收到的声源信号进行时间对齐；

加权单元，用于对时间对齐后的声源信号进行加权求和处理，以形成相应位置处的波束。

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