CN114355290B - 一种基于立体阵列的声源三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于立体阵列的声源三维成像方法，包括：选取至少两个互成一定夹角的接收平面，为每个接收平面配置若干个声源推断平面和采集点；在每个接收平面上分别选取一个采集点采集声信号，利用采集的声信号进行波束形成，根据波束形成值的最大值位置得到距声源最近的声源推断位置；然后根据各个接收平面的声源推断位置及接收平面间夹角计算得到声源的立体位置。对多个立体位置进行合成孔径成像，得到声源的精确位置。本发明的方法以低设备需求和成本实现大孔径远场的三维声源定位，且定位效果更加精确。

Description

一种基于立体阵列的声源三维成像方法及系统

技术领域

本发明属于声源定位技术领域，具体涉及一种基于立体阵列的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。

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。

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。它是二十世纪高新科技的产物，是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向双向高分辨率遥感成像的雷达系统，在成像雷达中占有绝对重要的地位。近年来由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力。它在不同频段、不同极化下可得到目标的高分辨率雷达图像，为人们提供非常有用的目标信息，已经被广泛应用于军事、经济和科技等众多领域，有着广泛的应用前景和发展潜力。国内外越来越多的科技研究者已投身于这一领域的研究。

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。

综上所述，需要一种在不增加超声波麦克风阵元的情况下提高信号信噪比和成像清晰度的技术。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于立体阵列的声源三维成像方法及系统。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于立体阵列的声源三维成像方法，方法包括：

S1、选取至少两个互成一定夹角的接收平面，为每个接收平面配置若干个与其平行的声源推断平面和若干个位于接收平面上的采集点；

S2、在每个接收平面上分别选取一个采集点；

S3、在每个选取的采集点上使用麦克风阵列采集声信号；

S4、在每个采集点上，利用采集的声信号进行波束形成，根据波束形成值的最大值位置得到距声源最近的声源推断位置；

S5、根据各个接收平面的声源推断位置及接收平面间夹角计算得到声源的立体位置；

S6、重复进行步骤S2-S5，多次得到声源的立体位置，使用合成孔径成像对立体位置进行合成，得到声源的精确位置。

作为优选方案，步骤S4具体包括：

S41、获取麦克风阵列中各阵元采集的声信号；

S42、假定各个声源推断平面上存在与接收平面相对应的假定采集点，使用声信号进行波束形成计算，得到各个声源推断平面上假定采集点处的波束形成值；

S43、比较得到波束形成值最大的假定采集点位置，将该假定采集点的位置作为声源推断位置。

作为优选方案，声源推断平面从接收平面朝向声源方向相隔一定距离均匀设置若干个。

作为优选方案，步骤S4中，对于每个接收平面，分别确定声源接近或远离该接收平面方向的两个假定采集点。

作为优选方案，步骤S1中，每个接收平面上的采集点以固定间距成直线排列。

作为进一步优选的方案，步骤S6中，每次重复步骤S2-S5的时间间隔相同。

另一方面，本发明还提供一种基于立体阵列的声源三维成像系统，应用如上述任一项的方法，装置包括：

声信号采集模块，具有麦克风阵列，用于采集声信号；

位移模块，与声信号采集模块连接，用于将声信号采集模块移动至各个采集点；

声源推断模块，与声信号采集模块和位移模块连接，用于对声信号进行波束形成，计算得到与声源最近的声源推断位置；

位置合成模块，与声源推断模块连接，用于根据各个接收平面的声源推断位置及接收平面间夹角计算得到声源的立体位置；

合成孔径模块，与声源位置合成模块连接，用于根据声源的立体位置进行合成孔径成像，得到声源的精确位置。

作为优选方案，声信号采集模块及位移模块均设有一个，位移模块将声信号采集模块依序移动至每个采集点。

作为进一步优选的方案，位移模块以相同的时间间隔依序移动声信号采集模块。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

（1）本发明的方法及系统可以实现大孔径远场的三维声源定位，且定位效果更加精确。

（2）本发明的方法及系统在没有增加成像仪孔径、增加成像仪成本的前提下，可以达到高精度成像的效果。

附图说明

图1是本发明实施例中接收平面的示意图；

图2是本发明实施例中声源推断平面部署的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

实施例：本实施例的一种基于立体阵列的声源三维成像方法，具体包括如下步骤：

首先进行步骤S1、选取如图1所示的两个互成一定夹角的接收平面，本实施例中两个接收平面互相垂直；对于每个接收平面，分别配置若干个与其相平行的声源推断平面，通过判断声源处于哪个声源推断平面上或哪两个声源推断平面之间，能够推断出声源与接收平面的距离。对每个接收平面设置的声源推断平面如图2所示，沿接收平面的法线方向相隔某一间距依次配置多个声源推断平面，直到距接收平面最远的声源推断平面距离达到预设的一个值，保证声源能够处于声源推断平面的部署范围内。

为了提高定位声源时的精准度和便捷性，作为一种改进方案，本实施例中还可将各个声源推断平面的间距设置为固定值使其沿接收平面的法向均匀排列。更具体的，本实施例中将同一接收平面的各个声源推断平面间距设置为0.1m。

另外在每个接收平面上还分别配置若干个位置不同的采集点，采集点用于使用麦克风阵列采集声信号、进一步分析得到声源位置。不同采集点所采集的声信号使用合成孔径方案共同计算声源位置，设于不同位置的采集点相当于将原本麦克风阵列的小孔径扩大到各采集点之间的大孔径范围。在声源识别时，声波是以球面波向外辐射，而只有具有时延的球面波才能够有效计算得到声源位置，当麦克风阵列与声源的距离较远时，由于麦克风阵列相对较为紧凑，所接收到的信号已经几乎是平面波，定位效果较差。扩大孔径后，即使是距离较远的声源，不同位置的采集点之间也能够构成球面波，提高定位精度。

为了便于后续的计算及合成孔径处理，将同一接收平面上的采集点部署为以直线排列，且间距相等。进一步地，将采集点部署为每0.2m设置一个。

完成接收平面、声源推断平面和采集点的部署以后进行步骤S2、对于每个接收平面，在其上分别选取一个采集点，采集点的位置选择标准为：声源的估计位置与采集点的连线与接收平面大体垂直，由于本实施例一般用于远距离声源的精准定位，故不同位置采集点与声源的连线均可以与接收平面大体垂直。

为了获取各采集点处的声信号以进行波束形成，进行步骤S3、在步骤S2中选取的采集点上使用麦克风阵列采集声信号。麦克风阵列是一种具有多个麦克风阵元的多麦克风系统，通过多个麦克风阵元采集到声源所发出的声信号，且根据声信号之间的时延以波束形成方法确定各声源推定平面上的声信号强度，从而根据声信号强度大小判断声源所在的平面。

作为进一步改进的方案，步骤S3的各个采集点使用可移动的麦克风阵列成像仪依次采集，具体为：将麦克风阵列成像仪依次移动至各个采集点从而完成不同采集点的选取和采集。

在采集到各个采集点的声信号后，进行步骤S4、利用各采集点采集的声信号进行波束形成，确定各个接收平面的与声源最近的声源推断位置，从而得到每个接收平面与声源最近的声源推断位置；

具体的，步骤S4的具体实施方法可以包括如下内容：

S41、获取麦克风阵列中各阵元采集的声信号；

具体地，设麦克风阵列的参考阵元坐标为

，声源坐标为

，麦 克风阵列所在平面为XY平面，麦克风阵列与声源连接线所在轴为Z轴，则参考阵元采集的声 信号为：

；

其中，

是声源强度，

是声源到参考阵元的距离，n是波数，

为声信号角频率。

S42、假定当前接收平面所配置的各个所述声源推断平面上存在与接收平面相对应的假定采集点，利用接收平面采集点上麦克风阵列采集的声信号进行波束形成，得到各个所述声源推断平面上采集点的波束形成值；

定义

是参考阵元和第m个阵元的距离差，

是参考阵元和第m个阵元的 接收信号时间延迟，根据上述S41获取的声信号可以推断得到：

；

其中，

是声源到第m个阵元的距离，c是声速。则第m个阵列所求得的信号为：

。

也可以表现为声源推断平面上的采集点所接收的信号，只需要根据声源 推断平面的位置对r值进行改变即可。

最终，对应声源推断平面的波束形成公式可以写为：

；

其中M为麦克风阵列中阵元个数，

是第m个阵元的权重。

S43、比较得到波束形成值最大的假定采集点位置，将该假定采集点的位置作为声源推断位置。

因为声源处的声信号强度最大，因此比较每个假定采集点的波束形成值找到最大 值，记录波束成形的最大值

和该最大值对应的位置

，并找到该位 置所处的声源推断平面，该平面即为与声源最近的声源推断平面。

上述步骤S3-S4对每个接收平面都要进行，因此在本实施例S1选取两个接收平面 的基础上，不仅要获取第一个接收平面对应的最近的声源推断位置，还要选取第二个接收 平面，获取第二个接收平面对应的最近的声源推断位置，得到波束成形的最大值

和其对应的

其中第二个接收平面的X,Y,Z轴对应的是第一个接 收平面的Z,Y,X轴。

当获取了全部两个接收平面的与声源最近的声源推断位置后，进行步骤S5、根据声源推断位置和接收平面间的夹角计算得到声源的立体位置；因为波束形成所判断的声源位置对声源距离分辨率更高，但对平行于接收平面的方向分辨率则较低，因此使用两个或更多具有夹角的接收平面，利用从不同角度相夹计算声源的立体位置，缩减误差范围、提高定位精度。

在步骤S1设置了两个互相垂直接收平面的基础上，最终得到的声源的精确位置为

。

然后进行步骤S6：重复进行步骤S2-S5，每次均在各个接收平面上分别选取一个采集点以不同角度相夹获得的声源立体位置，在得到多个声源立体位置的基础上，通过合成孔径方案合成得到声源的精确位置。合成孔径能够在不增加物理阵元需求数的条件下扩大整体定位的孔径，在更大的范围上采集声波，所采集到远距离声源的波更接近于球面波，进而提高分辨率、扩大测距范围。

本实施例还提供一种应用上述方法的基于立体阵列的声源三维成像系统，该系统包括声信号采集模块、位移模块、声源推断模块、位置合成模块和合成孔径模块；其中声信号采集模块具有麦克风阵列，用于实施上述方法中的采集声信号操作。声信号采集模块安装于位移模块上，位移模块能够移动声信号采集模块，从而使声信号采集模块能够如步骤S2及S3所述在不同采集点采集声信号。声源推断模块与声信号采集模块和位移模块连接，执行如步骤S4所述的波束形成，得到声源的推断位置。位置合成模块与声源推断模块连接，用于获取各个所述接收平面的所述声源推断位置及接收平面间夹角，执行如步骤S5所述的声源立体位置合成计算。合成孔径模块与位置合成模块连接，用于根据所述声源的立体位置进行合成孔径成像，得到声源的精确位置。

作为一种改进，声信号采集模块和位移模块均的数量与接收平面相同，通过一个声信号采集模块的逐步移动和采集，能够以很低的麦克风阵列设备成本完成合成孔径所需的声信号数据采集。为了便于合成孔径的成像计算，作为进一步改进的方案，位移模块以相同的时间间隔依序将声信号采集模块在采集点间移动。

具体的，在每个接收平面上的位移模块以2m/s的匀速移动，而声信号采集模块每隔0.1s采集一次声信号。声源推断模块基于当前采集点位置的声信号形成波束，生成多个采集点所对应的多个波束。位置合成模块并在每次波束生成完成后、即0.1s一次计算声源的立体位置。合成孔径模块将多个不同时间采集的立体位置进行合成孔径成像，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。

应当说明的是，上述实施例仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于立体阵列的声源三维成像方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、选取至少两个互成一定夹角的接收平面，为每个所述接收平面配置若干个与其平行的声源推断平面和若干个位于所述接收平面上的采集点；

S2、在每个所述接收平面上分别选取一个采集点；

S3、在每个所述选取的采集点上使用麦克风阵列采集声信号；

S4、在每个采集点上，利用采集的声信号进行波束形成，根据波束形成值的最大值位置得到距声源最近的声源推断位置；

S5、根据各个所述接收平面的所述声源推断位置及接收平面间夹角计算得到声源的立体位置；

S6、重复进行步骤S2-S5，多次得到声源的立体位置，对多个所述声源的立体位置进行合成孔径成像，得到声源的精确位置；

所述步骤S4具体包括：

S41、获取所述麦克风阵列中各阵元采集的声信号；

S42、假定各个所述声源推断平面上存在与接收平面相对应的假定采集点，使用所述声信号进行波束形成计算，得到各个所述声源推断平面上假定采集点处的波束形成值；

S43、比较得到波束形成值最大的假定采集点位置，将该假定采集点的位置作为声源推断位置。

2.如权利要求1所述的一种基于立体阵列的声源三维成像方法，其特征在于，所述声源推断平面从所述接收平面朝向声源方向相隔一定距离均匀设置若干个。

3.如权利要求1所述的一种基于立体阵列的声源三维成像方法，其特征在于，所述步骤S4中，对于每个所述接收平面，分别确定声源接近或远离该接收平面方向的两个假定采集点。

4.如权利要求1所述的一种基于立体阵列的声源三维成像方法，其特征在于，所述步骤S1中，每个所述接收平面上的采集点以固定间距成直线排列。

5.如权利要求4所述的一种基于立体阵列的声源三维成像方法，其特征在于，所述步骤S6中，每次重复步骤S2-S5的时间间隔相同。

6.一种基于立体阵列的声源三维成像系统，应用如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述系统包括：

声信号采集模块，具有麦克风阵列，用于采集声信号；

位移模块，与所述声信号采集模块连接，用于将所述声信号采集模块移动至各个所述采集点；

声源推断模块，与所述声信号采集模块和所述位移模块连接，用于对声信号进行波束形成，计算得到与声源最近的声源推断位置；

位置合成模块，与所述声源推断模块连接，用于根据各个所述接收平面的所述声源推断位置及接收平面间夹角计算得到声源的立体位置；

合成孔径模块，与所述位置合成模块连接，用于根据所述声源的立体位置进行合成孔径成像，得到声源的精确位置。

7.如权利要求6所述的一种基于立体阵列的声源三维成像系统，其特征在于，所述声信号采集模块及所述位移模块的数量均与所述接收平面的数量相同，每个所述声信号采集模块与每个所述位移模块单独成组。

8.如权利要求7所述的一种基于立体阵列的声源三维成像系统，其特征在于，所述位移模块以相同的时间间隔依序移动所述声信号采集模块。

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