基于四元传声器阵列的声源全方位定位算法

为了准确定位声源所在空间位置,解决声源方位计算产生盲区问题,在分析方位估计算法基础上,建立四元传声器阵列模型,将各阵元间的相对位置关系转化为三维坐标,提出了一种声源全方位定位算法。将声源所在位置划分为4种情况进行研究,利用声源传播到各阵元时延值,对声源所在方位进行反演,得到声源坐标和角度。对定位性能进行分析,实验结果表明,该算法能有效对声源进行定位,坐标和水平偏角误差率约为5%,仰角误差率约为10%,具有较好的定位效果。     

利用闪电信号进行雹云的识别和定位

雹云中5 min闪电频数明显多于非雹云,形成的雷声信号能量相对集中在85～100 Hz。因此,利用雷声和闪电特征可以识别雹云。同时,根据声测定位技术,利用＂五元十字阵＂可以得到雷声声源的空间方位。再由声、电信号传播时延得到闪电距离。从而实现对雹云的判别和空间定位,为人工消雹作业提供指导。     

传声器阵列阵元坐标标定精度影响因素研究

从时延估计、求解算法以及声源数量等几个方面进行传声器阵列阵元坐标标定精度影响因素分析,为随机构型传声器阵列的阵元坐标准确标定以及飞机结构强度试验中异常声源定位奠定了基础。结果表明,标定误差与时延估计误差呈正比关系;在同样的时延估计误差下,采用单纯形替换法标定误差远小于最小二乘法;标定误差随着声源点数量的增加呈现递减趋势;声源位置对标定误差也有着比较明显的影响,应该尽可能地沿着X、Y、Z三个轴布置声源点。     

改进的自适应特征值分解声源定位算法研究

麦克风阵列室内声源定位,常用声达时间差定位技术.本文针对估计时延的自适应特征值分解算法收敛速度慢,时延估计精度较差,麦克风较多等问题,提出一种改进的自适应特征值分解时延估计算法,采用单源多元混响模型,将混响效应描述为室内冲激响应滤波器对信号的滤波过程,估计不同阵元的冲激响应抑制混响,根据冲激响应峰值计算时延.通过引入最小均方牛顿算法,加快了AED算法的收敛速度.给出了对声源进行三维定位的三麦克风阵列结构,实际测试结果表明,改进算法与三麦克风阵列的定位方法对声源的定位更加准确.     

双无人机协同测向时差定位的优化仿真

在双无人机协同对目标进行测向时差定位时,因常用的直接解析算法存在定位模糊,提出了一种基于坐标变换的目标位置求解算法,利用坐标变换对目标位置进行求解,消除了模糊的目标位置。为了减小观测误差的影响,给出了一种利用滤波算法提高定位精度的方法,利用滤波算法对多组测量数据进行融合后,再对目标进行定位估计。仿真结果表明,基于坐标变换的目标位置求解算法可以使目标在观测站的各个方位上都能得到无模糊的目标位置,同时验证了粒子滤波相对扩展卡尔曼滤波对定位精度的改善效果更好。     

小基阵双宽带源波束域相干信号子空间法研究

超低空飞行的武装直升机飞行时的声音信号主要为低频宽带信号。针对宽带信号源的定向问题,以小尺度平面四元十字阵为基础,主要介绍了波束域相干信号子空间算法(BSCSM:Beam Space Coherent Signal-subspace Method),重点研究了双目标宽带源的情况下,该算法在目标方位估计上的应用和定向性能。实验仿真了波束域相干信号子空间法(BSCSM)对双宽带信号源的方位估计及其性能,并与阵元域的相干信号子空间法(CSM:Coherent Signal-subspace Method)的仿真结果进行了分析比较,重点比较了统计意义上的误差和宽带平面波波达角的角度分辨率等性能指标。结果表明,在远场环境下,基于小尺度基阵的双宽带源定向研究中,波束域相干信号子空间法比阵元域的相干信号子空间算法性能更好。     

面向声定位的低功耗音频信号采集系统的设计与实现

针对声定位的研究和应用领域,设计了一种低功耗音频信号采集系统.系统硬件电路以CPLD-EPM1270芯片为核心,对目标方位的估计基于四元十字阵列的时延估计法.最大采样频率可以达到216 kHz,休眠状态时的能量消耗小于20μW.测试表明:可以应用于声定位的应用场合.     

宽带声源方位估计的多频稀疏贝叶斯学习改进算法

在对空气中未知的宽带声源的波达方向进行估计时,麦克风阵列的阵元间距很容易大于声信号半波长而出现栅瓣,严重影响估计效果。尽管多频带数据的使用在一定程度上可以抑制栅瓣产生,但目前的方法抑制效果比较一般而且计算效率不高。在稀疏贝叶斯学习基础上,提出了一种针对宽带声源方位估计的改进方法。这种方法将超先验引入到传统的多频稀疏贝叶斯估计模型中,然后同时利用声源信号在多个频带上具有的相同空间角度稀疏性并结合期望最大化算法重新推导了多频稀疏贝叶斯模型中各相关参数的迭代形式。与此同时,考虑到实际场景中的声源方位通常不位于稀疏网格上,离网格修复模型也被加入设计框架中,以解决该问题。为验证算法性能,开展了仿真实验和场地实验。结果表明,相比最近提出的基于l₁最小化的多频压缩感知方法和宽带的多频稀疏贝叶斯学习方法,提出方法能更好的利用宽带声源的多频特性以降低栅瓣的干扰,同时具有更高的估计精度和计算速度。在现场实验中,改进方法表现了优于其他先进方法的栅瓣抑制能力,声源方位估计误差可达0.09°,所需迭代收敛步数相比MF-SBL减少约50%。     

一种高精度声源自动跟踪系统的设计

通过对被动声定位技术的研究,设计出一种基于小孔径传声器基阵实现对远场声源自动跟踪的系统.介绍了声源被动定位技术的基本原理,提出了基于极大似然估计的定位算法,通过对实测数据的计算机仿真实验,获得了良好的效果.数字信号处理器TMS320C32作为硬件系统的核心部件,可以完成复杂的定位运算,计算出声源方位信息,并控制随动装置实时跟踪目标.     

传声器阵列定位精度影响因素分析研究

设计了矩形和圆形两种阵列形式,从阵列构型、基线、声源与阵列中心位置等几个方面进行传声器阵列定位精度影响因素分析,为传声器阵列设计定型以及基于声源的飞机结构损伤定位系统开发奠定基础。结果表明,在基线长度和阵元数量相等的情况下,矩形阵列的定位精度要优于圆形阵列;阵列基线长度越大,定位精度越高;当声源垂直于阵列面时,定位精度最高,声源越偏离阵列面,定位精度越低;在同样的阵列结构和时延估计误差下,声源与传声器阵列中心之间的距离越大,定位的绝对误差就越大;时延估计的误差越小,定位精度越高;对于飞机结构强度试验,应采用多传声器阵列的布设方式,提高声源定位精度。     

ALGORITHM FOR ACOUSTIC PASSIVE LOCALIZATION WITH DUAL ARRAYS

Aiming at the problem of 3D target localization by time delay estimation, this paper proposes a new acoustic passive localization method, which can provide high precision localization estimation. The first step of the two-stage algorithm is to measure the azimuth angle and pitch angle at each single array, which can obtain high precision angle estimation but low precision range estimation. And in the second step, the location of acoustic source is calculated from the angles measured above and geometry position of the two arrays. Then the accuracy of localization estimation is discussed in theory, and the influence factors and localization error are analyzed by simulation. The simulation results validate the performance of the proposed algorithm, and show the precision of localization estimation with dual arrays is superior to single array.     

时延估计在被动声定位中的应用

时间延迟的估计算法在声音定位中非常重要,其精度直接决定了定位的精度。讨论和比较了广义互相关算法、互功率谱相位法和自适应算法在被动声定位中的应用,得出广义互相关算法相较于其他2种算法有更好的定位精度,在研究声源定位中有更广泛的应用前景。     

高指向性声阵列后向辐射抑制及优化方法

按一定几何结构排布的离散声阵列具有能量集中、辐射方向可调、布置灵活等优点。针对声阵列辐射高强度低频声波时定向难度大和后向辐射能量难以屏蔽的问题,提出一种阵列布局及优化方法。利用横向布置的线型阵限制主波束的宽度,给出了指向性的设计准则;通过控制多层线型阵的纵深位置和相位延迟实现了对后向辐射的抑制;最后提出一种改进的遗传模拟退火算法用于优化阵元的横向位置,进一步降低方向图旁瓣。仿真和声场测试结果表明该设计方法可以有效对阵列指向性和后向辐射水平进行控制,设计的纵深相控阵在发射100 Hz声波时前向4 m处的半功率角为21.91°,50°～60°方向上的平均抑制比为8.82 dB,90°～180°方向上的抑制比超过20 dB。     

基于传递函数估计的近场声全息的噪声源识别

在近场声全息(NAH)声场测量中,噪声的存在使近场声全息重建精度降低,影响声场重建的实现。本文提出一种基于传递函数估计的双测量面NAH技术,首先采用双测量面对噪声源信号进行测量,然后基于传递函数法引入一种合理的传递函数估计,结合参考传声器信号来求解全息面复声压,最后利用前后测量面数据相位差异来求解格林函数,根据声场重建公式进行近场声全息声场重建。数值仿真及重建误差分析表明,存在测量噪声影响的情况下,本文提出的方法相比传递函数法NAH重建误差更小,能够更准确地识别声源位置并提高声全息重建精度。最后对某型拖拉机前端进行近场阵列扫描试验,验证基于传递函数估计的双测量面NAH的有效性。     

基于广义互功率谱的温度检测方法

声温法是基于声波与CT技术相结合的非接触测温法,声波信号飞渡时间的精确测量是温度场检测的关键环节,在低信噪比、复杂混响的背景环境下,传统相关算法无法准确计算出声信号的时延。采用广义互功率谱相位分析算法来克服背景环境中乘积性干扰和卷积性干扰,通过对采样信号进行白化处理,并随信噪比的变化调整互功率谱的权值,来提高时延估计算法的抗噪声与抗混响能力。理论推导和实验结果分析证明,与传统相关函数分析算法和互功率谱相位时延算法进行比较,新互谱算法能有效克服噪声和混响干扰,锐化峰值,准确估计出声信号的时延。     

一种复杂结构件圆柱面扩散焊缝阵列超声检测方法

航空发动机某高温合金盘构件采用盘体与叶片环进行焊接的方式制备，由于构件结构复杂，在检测圆柱形焊接面缺陷时，采用单晶超声检测换能器检测效率不高，缺陷信号信噪比低。为提高该种结构件的检测能力，研究圆柱面焊缝的阵列超声自动检测方法，分析面积型缺陷和声源的相对位置对缺陷反射声压和波型转换的影响，提出一种基于双阵列换能器的一发一收检测方案。根据高温合金盘结构设计基于双阵列换能器的声束发射-接收方法和圆柱面焊缝全覆盖检测方案；基于时域有限差分方法建立高温合金盘的阵列超声声学响应仿真模型，对检测参数进行设计和优化。对含有人工缺陷的实际试样进行检测试验，结果表明所提出的双阵列超声换能器检测方法能有效检测到圆柱面焊缝区域? 2 mm的当量缺陷。     

基于波束形成的均匀方阵虚拟基元定位方法

针对传统四基元超短基线定位(USBL)系统接收信号受噪声干扰严重,定位结果可能存在相位模糊,且可靠性低的问题,提出了一种基于平面阵列波束形成的虚拟基元定位方法,将均匀方阵对称分割为4个子阵,通过子阵波束形成分别投影成虚拟基元,构成四基元十字阵;之后进行四基元十字阵波达方向(DOA)估计计算来波方向;得到的结果和之前结果偏差较大舍弃,否则作为下一ping数据到来的参考基准方向,形成反馈环路,提高定位准确度。算法整体复杂度明显小于传统的特征分解定位算法。仿真实验显示,定位性能明显好于传统四基于定位算法。使用海试数据对算法进行了可行性分析,结果表明算法能够通过增加接收信号的信噪比有效地提高定位算法的精度。     

声场可视化系统中声像阵列空间关系标定研究

在声场可视化系统中,摄像机与传声器阵列的空间位置及角度的关系不准确将导致声源定位出现误差。而目前对于声场可视化系统中的声像阵列空间关系的研究较少,缺少对声像阵列空间关系的简单有效的标定方法。因此,提出了一种可计算任意位置与姿态的摄像机与传声器阵列之间空间关系的标定方法,可有效消除由传声器阵列与相机的空间关系不匹配导致的声源定位误差。通过对已知声源在多个空间位置的声源定位误差进行最小化处理,利用分步迭代计算的方法,分别计算出摄像机与传声器阵列的空间位置与角度,最终得到声像阵列之间真实的空间位置与角度关系。仿真与实际实验均表明本方法可对任意位置与姿态的摄像机与传声器阵列的空间关系进行准确标定,能有效提高声场可视化系统的声源定位精度。提出的声像阵列空间关系标定方法可应用于各种声场可视化系统中,对提高声场可视化系统的声源定位准确度有着积极的意义。     

数据融合技术在声全息测量中的应用

提出了基于神经网络和证据理论的数据融合技术。首先,根据声全息的测量原理,建立了由传感器子网和融合子网组成的数据融合模型。接着,给出了基于神经网络的传感器子网结构,实现了从目标特征参数到目标类型的映射,得到初步的输出结果。然后,采用证据理论将目标信息融合起来,达到对目标的有效识别得到最后的识别结果。最后,给出了数据融合技术应用于声全息法识别声源的实例计算。实验结果表明:数据融合后的声源识别率为94.2%,比融合前提高了11.7%。该技术减小了由于信息量不足或存在较大偶然误差而带来的不利影响,使声源的识别结果更可靠。