CN115436880B - 基于传声器阵列的自适应超声波检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传声器阵列的自适应超声波检测方法及系统。其包括构建传声器阵列，其中，所述传声器阵列包括N个阵列分布的传声器，所有传声器的检测端面均位于同一平面；利用上述构建的传声器阵列进行空间超声波扫描，其中，空间超声波扫描的方位角范围为±A°，扫描间隔为d₁°，空间扫描的俯仰角为±B°，扫描间隔为d₂°；对空间超声波扫描中任一的位置点，确定所述位置点相对应的位置点方位谱；对所有空间扫描位置点的位置点方位谱，将极大值的位置点方位谱对应的位置点选定为空间声源位置。本发明能有效实现高频率的超声波识别，快速有效地确定超声波声源位置，安全可靠。

Description

基于传声器阵列的自适应超声波检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种超声波检测方法及系统，尤其是一种基于传声器阵列的自适应超声波检测方法及系统。

背景技术

对充满气体的容器内或管道，一旦出现裂纹或漏孔，就会发生气体泄漏。当漏孔尺寸较小时，泄漏的气体就会形成湍流，湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波，声波振动的频率与漏孔尺寸有关：漏孔较大时，人耳可听到漏气声，漏孔很小且声波频率大于20kHz时，人耳就听不到了，但它们能在空气中传播，称作超声波。

在石油、化工等工业场景中，很多储气罐、输气管道均需要定期检测，以防止长期气体泄漏导致严重后果。此外，一些工厂生产的产品在出厂前，需要做气密性检测，如冰箱、密封容器、空调系统、轮胎、压缩机以及各种输液管道等，都可以通过超声波进行检测。

另外，在电力电网的高压输电、变电系统中，局部放电是重要的检测项目，如果局部放电不能及时发现会导致火宅、大面积停电，而局部放电过程也会产生超声波。

由此可见，在很多工业场景中，存在大量超声波检测的需求，能够及时发现超声波，准确定位故障位置具有重要意义。

目前，大部分超声检测是利用传统的超声波传感器探头进行超声波检测，该方法存在无法准确定位超声波的声源位置，测试范围小等缺陷，因此，诞生了传声器阵列加摄像头组成的声学成像系统，通过声学成像的方式不仅能够发现噪声源，还可以定位噪声源的位置，定位故障点。

但在工业场景背景噪声复杂的情况下，往往存在多个干扰源，或同时存在多个噪声源，现有的声成像方法无法有效去除干扰，对噪声源的测试精度和测量范围指标都不太好。

已有的声学成像方法主要针对于人耳可听声波范围，针对超声波的检测，存在检测频率范围较小的缺点。超声波成像需要更高的采样频率，更复杂的运算，对硬件和软件要求都更高，已有的算法在超声波测量频率范围、测量精度等方面很难达到满意的效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于传声器阵列的自适应超声波检测方法及系统，其能有效实现高频率的超声波识别，快速有效地确定超声波声源位置，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，一种基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，用于超声波声源位置的识别，所述超声波检测方法包括：

构建传声器阵列，其中，所述传声器阵列包括N个阵列分布的传声器，所有传声器的检测端面均位于同一平面；

利用上述构建的传声器阵列进行空间超声波扫描，其中，空间超声波扫描的方位角范围为±A°，扫描间隔为d₁°，空间扫描的俯仰角为±B°，扫描间隔为d₂°；对空间超声波扫描中任一的位置点，确定所述位置点相对应的位置点方位谱；

对所有空间扫描位置点的位置点方位谱，将极大值的位置点方位谱对应的位置点选定为空间声源位置。

对空间超声波扫描中任一位置点，确定所述位置点的位置点方位谱为：

其中，P(az_i,el_j)为位置点(az_i,el_j)的位置点方位谱，N_L、N_H为截止频点，N_L<N_H，为协方差矩阵R_NN(k)的逆矩阵，X_NM为基于传声器阵列内所有传声器的时域信号生成的频谱矩阵，X_NM(k)则为X_NM的第k列，/>为X_NM(k)的共轭转秩矩阵，a(k,az,el)为窄带单频频信号f(k)的导向矢量，a(k,az,el)^H为导向矢量a(k,az,el)的共轭转秩矩阵。

基于传声器阵列内所有传声器的时域信号生成的频谱矩阵X_NM时，则有：

获取传声器阵列内所有传声器的音频时域信号；

对所有传声器的音频时域信号进行K点的FFT变换，以得到音频频域初始矩阵F1_NK；

利用归一化校正系数矩阵W_NK对上述音频频域初始矩阵F1_NK进行校正，以得到音频频域校正后矩阵F_NK，其中，归一化校正系数矩阵W_NK内的校正系数为所对应传声器阵列内传声器的频率响应；

配置截止频率频点范围[N_L N_H]，利用所配置的截止频率频点范围[N_L N_H]对音频频域校正后矩阵F_NK内任一音频频域校正值进行频率频点匹配，以在频率频点匹配后生成频谱矩阵X_NM。

获取传声器阵列内所有传声器的音频时域信号时，对传声器的音频信号进行采样，并在采样后进行CIC抽取，以在CIC抽取后得到所有的音频时域信号。

对归一化校正系数矩阵W_NK，则有：

对构建的传声器阵列，在远场正对所述传声器阵列的中心播放白噪声，对在所播放白噪声下每个传声器采集的音频时域信号，并对所采集的音频时域信号进行FFT变换；

基于所有音频时域信号对应FFT变换得到的频域信号，生成归一化校正系数矩阵W_NK。

对所配置的截止频率频点范围[N_L N_H]，则有：

其中，K为FFT变换的快拍点数，f_s为获取音频时域信号时的采样频率，f_L、f_H为截止频率，f_L<f_H。

对窄带单频频信号f(k)的导向矢量a(k,az,el)，则有：

其中，i为虚数单位，t(n,az,el)为空间中方位角为az，俯仰角为el处入射到传声器阵列中第n个传声器的时间延迟，n＝1、2、3......N；c为超声波在空气中传播的速度，pos(1,n)和pos(2,n)分别为第n个传声器相应的y方向坐标和z方向坐标。

所述传声器采用PDM接口的MEMS麦克风。

一种基于传声器阵列的自适应超声波检测系统，包括传声器阵列以及检测处理器，其中，检测处理器基于传声器阵列执行上述的超声波检测。

本发明的优点：基于传声器阵列的超声波检测方法，其波束形成相比传统延迟累加等方法的抗干扰性强，可在远距离、大范围内快速发现超声波声源。在传声器信号的时域、频域处理时，可以简化处理计算量，以能支持更多通道的阵列信号采集，获取更好检测效果。可对超声波进行超高频率采样，能识别更高频率范围内的超声波。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的流程图。

图2为本发明构建传声器阵列的一种示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能有效实现高频率的超声波识别，快速有效地确定超声波声源位置，本发明基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，用于超声波声源位置的识别，所述超声波检测方法包括：

构建传声器阵列，其中，所述传声器阵列包括N个阵列分布的传声器，所有传声器的检测端面均位于同一平面；

利用上述构建的传声器阵列进行空间超声波扫描，其中，空间超声波扫描的方位角范围为±A°，扫描间隔为d₁°，空间扫描的俯仰角为±B°，扫描间隔为d₂°；对空间超声波扫描中任一的位置点，确定所述位置点相对应的位置点方位谱；

对所有空间扫描位置点的位置点方位谱，将极大值的位置点方位谱对应的位置点选定为空间声源位置。

为了能对超声波声源位置检测与识别，需要构建传声器阵列，其中，所构建的传声器阵列内包括N个阵列分布的传声器，即N个传声器呈阵列分布，以形成所需的传声器阵列，传声器阵列可以是圆形阵列、方形阵列、十字阵列或螺旋形阵列等形式，传声器阵列分布形式可以根据实际需要选择。

在实际应用中，传声器阵列一般可选为圆形阵列、球形阵列、螺旋阵列等多种方式，此处实施例中，以同心的圆形阵列进行说明。图2中，同心圆阵列一共有8个同心圆组成，每个同心圆上均匀分布10个传声器，即传声器阵列中共有8*10＝80颗传声器，此时，传声器阵列个数N为80。

图2的阵列中，构建极坐标。第i个同心圆中第j个传声器的坐标位置为[r(i,j)*cos(θ(i,j)),r(i,j)*sin(θ(i,j))]。其中，r(i,j)为第i个同心圆中第j个传声器的极坐标半径，θ(i,j)为极坐标角度，其计算公式如下：

N个传声器的位置坐标计算公式如下：

其中，n＝1、2、3.....80，n可以用i和j表示为n＝10*(i-1)+j，代表第i个同心圆的第j个传声器。p(1,n)和p(2,n)分别为第n个传声器相应的y方向坐标和z方向坐标。

根据上述公式，即可确定坐标中每个传声器的位置。当然，传声器阵列中，所有传声器的头部均位于同一平面。

在对超声波检测识别时，对所有的传声器进行高采样率同步采样，以便能获得N个传声器相对应的时域信号。若要获取高采样率，在具体实施时，最好采用PDM接口的MEMS麦克风作为传声器，与其他接口MEMS麦克风相比，PDM接口MEMS麦克风可具有更高的采样率。PDM接口的MEMS麦克风可采用现有常用的形式，具体以能满足高采样频率的采样要求为准，一般不低于80kHz的频率响应特性。

构建所需的传声器阵列后，为了能对超声波声源检测与识别，需要利用所构建的传声器阵列进行空间超声波扫描，一般地，在进行空间超声波扫描时，需要确定空间超声波扫描的扫描范围，空间超声波扫描的扫描范围包括方位角、俯仰角以及扫描间隔，本发明的一种实施例中，空间超声波扫描的方位角范围为±30°(即A为30)，扫描间隔为1°(即d₁＝1)，空间扫描的俯仰角为±30°(即B为30)，扫描间隔为1°(即d₂＝1)，即方位角范围为-30°～30°，俯仰角为-30°～30°，方位角范围、俯仰角以及扫描间隔具体可以根据实际场景选择确定，以能满足对超声波源的检测与识别为准。

在利用构建的传声器阵列进行空间超声波扫描时，根据空间超声波扫描的方位角、俯仰角以及扫描间隔可确定整个空间超声波扫描时供需扫描位置点的位置以及位置点的总数量。在确定所需扫描的位置点后，对任一位置点，在进行空间超声波扫描后，即可确定所述位置点相对应的位置点方位谱。

根据上述设置完成空间超声波扫描后，一共存在即可得到/>个位置点方位谱，利用位置点方位谱可表征正对应位置点的能量谱。在确定所有位置点的位置点方位谱后，根据空间超声波扫描的顺序，即可确定处于极大值的位置点方位谱，同时，所确定极大值位置点方位谱相对应的位置点即为空间声源位置。在确定空间声源位置后，即达到快速确定超声波声源位置。

本发明的一种实施例中，对空间超声波扫描中任一位置点，确定所述位置点的位置点方位谱为：

其中，P(az_i,el_j)为位置点(az_i,el_j)的位置点方位谱，N_L、N_H为截止频点，N_L<N_H，为协方差矩阵R_NN(k)的逆矩阵，X_NM为基于传声器阵列内所有传声器的时域信号生成的频谱矩阵，X_NM(k)则为X_NM的第k列，/>为X_NM(k)的共轭转秩矩阵，a(k,az,el)为窄带单频频信号f(k)的导向矢量，a(k,az,el)^H为导向矢量a(k,az,el)的共轭转秩矩阵；K为对传声器的音频时域信号进行FFT变换的点数。

具体实施时，利用上述公式即可确定每个空间超声波扫描位置点的位置点方位谱，下面对空间超声波扫描时确定位置点方位谱的具体情况进行举例说明。

本发明的一种实施例中，基于传声器阵列内所有传声器的时域信号生成的频谱矩阵X_NM时，则有：

获取传声器阵列内所有传声器的音频时域信号；

对所有传声器的音频时域信号进行K点的FFT变换，以得到音频频域初始矩阵F1_NK；

利用归一化校正系数矩阵W_NK对上述音频频域初始矩阵F1_NK进行校正，以得到音频频域校正后矩阵F_NK，其中，归一化校正系数矩阵W_NK内的校正系数为所对应传声器阵列内传声器的频率响应；

配置截止频率频点范围[N_L N_H]，利用所配置的截止频率频点范围[N_L N_H]对音频频域校正后矩阵F_NK内任一音频频域校正值进行频率频点匹配，以在频率频点匹配后生成频谱矩阵X_NM。

具体地，在空间超声波扫描时，传声器阵列内所有的传声器均处于工作状态，即均处于拾音状态。对一空间超声波扫描的位置点，利用传声器阵列在拾音后，通过同步高频率采样处理，即可得到所有传声器的音频时域信号。

目前，高频率采样后，一般需要经过CIC抽取、两次半带滤波、FIR低通滤波相应的处理步骤，以处理转换为正常的音频时域信号。其中，当传声器阵列内同时包括上百路传声器时(即N大于100)，进行所述CIC抽取、两次半带滤波、FIR低通滤波的步骤会耗费大量的资源。

本发明的一种实施例中，对超声波声源位置检测与识别时，同步高频率采样后，可只进行CIC抽取，以在CIC抽取后得到所有的音频时域信号。即与现有处理步骤相比，取消了两次半带滤波和FIR滤波处理，从而可减少了大量的计算；减少这些步骤后，具体实施时，通过下述的处理过程可进行补偿，不会对超声波声源位置检测与识别的性能造成任何影响，还可以带来更高采样率和更准确的定位效果。

具体实施时，高频采样的频率f_s可根据实际需要选择，以能满足对传声器的采样需求为准。采样后，CIC抽取以及抽取后得到音频时域信号的具体过程以及方式可均与现有相一致，以能满足得到所有传声器相对应的音频时域信号为准。

在得到N个传声器相对应的音频时域信号后，对N个音频时域信号均进行K点的FFT变换，K的取值范围一般在256到1024之间。以在FFT变换后，得到音频频域初始矩阵F1_NK，其中，在音频频域初始矩阵F1_NK内，音频频域的信息与传声器阵列内传声器的分布相一致。

在得到音频频域初始矩阵F1_NK后，需要进行归一化校正，即利用归一化校正系数矩阵W_NK对上述音频频域初始矩阵F1_NK进行校正。本发明的一种实施例中，对归一化校正系数矩阵W_NK，该矩阵大小与F1_NK大小一致，则有：

对构建的传声器阵列，在远场正对所述传声器阵列的中心播放高斯白噪声，远场一般指距离传声器阵列中心距离大于1米。对在所播放白噪声下，每个传声器采集的音频时域信号，采样率与正常检测时使用的采样率相同，均为f_s,并对所采集的音频时域信号进行K点的FFT变换；

基于所有音频时域信号对应FFT变换得到的频域信号，生成归一化校正系数矩阵W_NK，矩阵大小为N行K列。

因此，在构建传声器阵列后，需要确定归一化校正系数矩阵W_NK，当然在空间超声波扫描过程中，均采用同一归一化校正系数矩阵W_NK对所有空间超声波扫描位置点的音频频域校正后矩阵F_NK进行校正。

本发明的一种实施例中，对所配置的截止频率频点范围[N_L N_H]，则有：

其中，K为FFT变换的快拍点数，f_s为获取音频时域信号时的采样频率，f_L、f_H为截止频率，f_L<f_H，一般地，截止频率f_H减去截止频率f_L，即可得到检测的超声波频段范围。对检测的超声波频段范围，一般设置为10kHz到25kHz之间，f_H为检测的超声波最高频率，一般地，在30kHz到80kHz之间，如果不受传感器和处理器采样率限定，f_H可取大于80kHz的值。

具体实施时，在确定截止频率f_L与截止频率f_H后，根据FFT变换时的点数K，即可配置截止频率频点范围[N_L N_H]，后续只对频率范围内的单频信号进行方位谱计算。

本发明的一种实施例中，按照所构建传声器阵列的几何形状，由每个传声器的坐标位置信息构造对应的导向矢量a(k,az,el)，其中，导向矢量a(k,az,el)是窄带单频频信号f(k)在空间中坐标位置点(az,el)到达麦克风阵列的相移，窄带单频信号f(k)为频率为的正弦信号，其中，fs为采样率。

具体地，对窄带单频频信号f(k)的导向矢量a(k,az,el)，则有：

其中，i为虚数单位，t(n,az,el)为空间中方位角为az，俯仰角为el处入射到传声器阵列中第n个传声器的时间延迟，n＝1、2、3......N；c为超声波在空气中传播的速度，pos(1,n)和pos(2,n)分别为第n个传声器相应的y方向坐标和z方向坐标。

具体实施时，pos(1,n)和pos(2,n)分别为第n个传声器相应的y方向坐标和z方向坐标，具体取值情况可以参考上述说明。此外，当传声器阵列采用其他分布形式，具体可以参考上述以圆形阵列的分布说明，具体以能构建所需的传声器阵列，以及实现对超声波检测为准。

综上，利用传声器阵列进行空间超声波扫描时，对每个空间超声波扫描位置点，均可采用上述方式确定位置点方位谱。对所有的位置点方位谱，采用搜索方式确定相对应的极大值，所确定极大值的位置点方位谱对应的位置点即为超声波声源。

对于上述的超声波声源检测与识别方法，可得到基于传声器阵列的自适应超声波检测系统，包括传声器阵列以及检测处理器，其中，检测处理器基于传声器阵列执行上述的超声波检测。

本发明的一种实施例中，检测处理器可以采用现有常用的形式，以能满足上述实施对超声波检测与识别的处理即可，其中，传声器阵列以及检测处理器与传声器阵列配合，实施上述超声波声源位置检测的过程可参考上述说明，此处不再赘述。

本发明基于传声器阵列的超声波检测方法时，通过位置点方位谱计算方式输出的波束形成，相比传统延迟累加等方法的抗干扰性强，可在远距离、大范围内快速发现超声波声源。

在传声器信号的时域、频域处理时，可以简化处理计算量，以能支持更多通道的阵列信号采集，获取更好检测效果。可对超声波进行超高频率采样，能识别更高频率范围内的超声波。

Claims (7)

1.一种基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，其特征是，用于超声波声源位置的识别，所述超声波检测方法包括：

构建传声器阵列，其中，所述传声器阵列包括N个阵列分布的传声器，所有传声器的检测端面均位于同一平面；

利用上述构建的传声器阵列进行空间超声波扫描，其中，空间超声波扫描的方位角范围为±A°，扫描间隔为d₁°，空间扫描的俯仰角为±B°，扫描间隔为d₂°；对空间超声波扫描中任一的位置点，确定所述位置点相对应的位置点方位谱；

对所有空间扫描位置点的位置点方位谱，将极大值的位置点方位谱对应的位置点选定为空间声源位置；

对空间超声波扫描中任一位置点，确定所述位置点的位置点方位谱为：

其中，P(az_i,el_j)为位置点(az_i,el_j)的位置点方位谱，N_L、N_H为截止频点，N_L<N_H，为协方差矩阵R_NN(k)的逆矩阵，X_NM为基于传声器阵列内所有传声器的时域信号生成的频谱矩阵，X_NM(k)则为X_NM的第k列，/>为X_NM(k)的共轭转秩矩阵，a(k,az,el)为窄带单频频信号f(k)的导向矢量，a(k,az,el)^H为导向矢量a(k,az,el)的共轭转秩矩阵；

基于传声器阵列内所有传声器的时域信号生成的频谱矩阵X_NM时，则有：

获取传声器阵列内所有传声器的音频时域信号；

对所有传声器的音频时域信号进行K点的FFT变换，以得到音频频域初始矩阵F1_NK；

利用归一化校正系数矩阵W_NK对上述音频频域初始矩阵F1_NK进行校正，以得到音频频域校正后矩阵F_NK，其中，归一化校正系数矩阵W_NK内的校正系数为所对应传声器阵列内传声器的频率响应；

配置截止频率频点范围[N_L N_H]，利用所配置的截止频率频点范围[N_L N_H]对音频频域校正后矩阵F_NK内任一音频频域校正值进行频率频点匹配，以在频率频点匹配后生成频谱矩阵X_NM。

2.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，其特征是，获取传声器阵列内所有传声器的音频时域信号时，对传声器的音频信号进行采样，并在采样后进行CIC抽取，以在CIC抽取后得到所有的音频时域信号。

3.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，其特征是，对归一化校正系数矩阵W_NK，则有：

对构建的传声器阵列，在远场正对所述传声器阵列的中心播放白噪声，对在所播放白噪声下每个传声器采集的音频时域信号，并对所采集的音频时域信号进行FFT变换；

基于所有音频时域信号对应FFT变换得到的频域信号，生成归一化校正系数矩阵W_NK。

4.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，其特征是，对所配置的截止频率频点范围[N_L N_H]，则有：

其中，K为FFT变换的快拍点数，f_s为获取音频时域信号时的采样频率，f_L、f_H为截止频率，f_L<f_H。

5.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，其特征是，对窄带单频频信号f(k)的导向矢量a(k,az,el)，则有：

其中，i为虚数单位，t(n,az,el)为空间中方位角为az，俯仰角为el处入射到传声器阵列中第n个传声器的时间延迟，n＝1、2、3......N；c为超声波在空气中传播的速度，pos(1,n)和pos(2,n)分别为第n个传声器相应的y方向坐标和z方向坐标。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于传声器阵列的自适应超声波检测方法，其特征是，所述传声器采用PDM接口的MEMS麦克风。

7.一种基于传声器阵列的自适应超声波检测系统，其特征是，包括传声器阵列以及检测处理器，其中，检测处理器基于传声器阵列执行上述权利要求1～权利要求6任一项的超声波检测方法。