双五元十字阵被动声定位融合算法及性能分析

为了提高被动声测量的准确度和克服声源目标空间方位模糊的问题,提出了双五元十字阵被动声定位融合算法。首先设计了一种双五元十字阵传声器阵列模型,依据模型定义了声源点象限判断准则;然后根据被动声定位原理推导了单一五元十字阵的声源点坐标计算公式,根据俯仰角度正弦值作为加权系数,构造了双五元十字阵被动声定位融合算法模型;最后对该模型测距和测向的精度进行了理论分析,给出了时延估计误差、俯仰角以及方位角与双五元十字阵定位性能的关系。理论分析和仿真实验结果表明,该算法克服了声源目标空间方位模糊的问题、减小了时延估计误差对测距测向性能的影响。本文算法能够更加准确地测量出声源点的位置信息。     

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。     

输气管道泄漏的线性阵列两步定位方法

为了提高输气管道泄漏定位的精度和抗干扰能力,基于除自谱的互功率谱波束形成法,提出一种输气管道泄漏的线性阵列两步定位方法。进行M(=3, 5, 7)元阵列及其M-1元子阵的泄漏定位和速度估计效果对比实验,分析了3种阵列的抗干扰能力差异。实验结果表明,泄漏信号的4 kHz分量受多径干扰较小,速度估计结果稳定在1 600 m/s～1 700 m/s范围内。相较于2元和4元子阵,6元子阵的速度估计结果更稳定,抗干扰能力更强。相应地,7元阵列的定位精度和抗干扰能力也更优,干扰较小时,对不同泄漏位置的平均定位误差率小于1%,信噪比低至-15 dB时其误差率仍低于2%。而现有基于广义互相关分析的声波法在噪声条件下无法完成有效定位。该研究将阵列技术应用到管道泄漏定位,提高了定位方法的性能。     

麦克风阵列幅相误差校准的最小二乘系统辨识研究

阵列幅相误差显著降低了麦克风阵列的声源定位算法性能,研究了一种麦克风阵列幅相误差有源宽带近场校准方法。该方法采用一个校准源,线性正弦扫频信号作为激励信号,它先对阵列接受到的信号进行幅值和相位补偿,以阵列中的一个阵元作为参考阵元,把参考阵元与待校准阵元当作单输入单输出线性系统,然后通过递推最小二乘(RLS)系统辨识算法获得用于通道校准的FIR滤波器。用三维声强探头阵列进行校准和声源定位实验,验证了所提出的校准方法实用有效。     

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.     

机电设备故障声源定位系统设计

针对传统设备状态监测与故障诊断系统中数据量大、实时性与可移植性差等问题,设计了一种故障声源定位系统。基于麦克风四元阵模型,通过广义互相关算法(GCC)完成时延估计从而对声源进行定位。采用Lab VIEW搭建了系统的软件平台,提供了模块化的人机交互界面。经测试,在杂波环境下,该系统能对设备运行的故障声响进行有效定位,位置精度误差小于5 cm,同时具有良好的实时性与可靠性。     

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%。     

基于阵列的声源定位系统

设计了一种基于虚拟仪器技术与阵列的声源定位系统,该系统以基于四元阵的定位模型算法为理论基础,并进行了现场实验,证明了该系统实际运用的可能性。     

基于TDOA的声源定位系统设计

目前,声源定位在机械故障诊断、电力状态检测及带压气体泄漏检测中应用比较广泛。考虑易实现和高精度两项指标,本文提出了一种基于到达时间差(Time Difference of Arrival, TDOA)算法的声源定位系统。基于TDOA算法获得4个声传感器之间的相对时间差,接收特定频率的声波信号,采用平面四元十字阵列建立的声传感器阵列实现位置解算,从而获得声源坐标。该系统综合应用锁相环路、51单片机和运算放大器等元器件,利用C51语言编写代码,实现了对于特定频率声源的定位。实践测试表明,该声源定位设备在空旷环境下较易实现低误差的声源定位,且具有较高的声源定位精度。     

基于TDOA多声源定位的虚假声源消除方法

基于到达时差(time difference of arrival,简称TDOA)的多声源定位方法难以将麦克风获得的TDOA值与真实声源进行有效的关联。针对此问题,提出了一种基于TDOA的多声源空间定位方法。利用互相关算法估计声源的TDOA值,并基于Chan算法求解多目标声源的空间位置。为消除虚假声源,将阵列麦克风分为定位和校验两组子阵列,并构建阵列分组定位校验模型。定位麦克风用于所有可能声源的定位。校验麦克风用于虚假声源的消除,并获得多声源的初始位置。根据初始真实声源位置,构建全阵列TDOA序列校验模型,并获得最终真实声源位置。搭建了仿真及实验平台,对提出的方法进行验证。仿真及实验结果表明,提出的方法有效地消除了基于TDOA多声源定位的虚假声源,并能充分利用阵列麦克风数量来提升多声源定位精度。     

基于麦克风阵列的室内声音定位导航系统设计

提出了一种使用两个声源的室内声音定位导航系统,它能够对室内平面空间进行坐标系设定,并对其中的麦克风阵列进行定位,以及确定它的姿态。为室内移动机器人的定位和导航提供了一种可以通用的可行方案。系统采用麦克风阵列获取声波的到达时间差,分别确定两个固定位置声源与阵列的相对位置。利用传声器阵列的几何关系和两个声源的几何关系进行计算,得到传声器阵列几何中心的坐标和姿态。     

线阵相机二维高精度内方位元素标定

针对精密测角算法标定线阵相机内方位元素时仅标定一维方向的主点坐标及畸变,导致该标定算法适应性及精度受限的问题,提出了一种线阵相机二维高精度内方位标定方法。首先,分析了线阵相机内方位元素模型,然后,针对该模型提出了一种基于二维转台的二维标定方法,并给出了详细的标定步骤及数据处理方法,最后,将本文提出方法的标定结果与精密测角算法的标定结果进行了对比,结果表明,本文提出的标定方法的重投影误差为0.34pixel,相比于精密测角算法的1.25pixel,显著提高了标定精度,且标定时不需要进行对准、调平等操作,标定过程操作简单。     

一种基于机器视觉的圆孔边缘检测方法

针对圆孔型工件几何特征的测量,边缘定位的精度至关重要。提出了一种圆孔边缘定位算法。该算法对某一像素的相邻像素方位做出标记并计算其与相邻像素的方差,选取最大方差所在像素位置为假定边缘走向,利用形态学运算对假定边缘进行处理,得到正确边缘位置。实验证明了该算法的有效性。     

压缩感知声源定位方法研究*

目前声源定位主要采用波束形成算法与麦克风阵列相结合的方法。常规波束形成(Conventional beamforming, CBF)方法存在以下缺陷：① 空间分辨率受限于瑞利限;② 动态响应范围受旁瓣的影响。高级波束形成算法则存在着计算时间过长、会出现负声源或假声源等缺陷。提出一种基于麦克风阵列与压缩感知正交匹配追踪(Orthogonal matching pursuit, OMP)算法的声源定位方法。在不同频率下通过数值仿真方法将压缩感知OMP算法与CBF算法及压缩感知基追踪(Basis pursuit, BP)算法的声源定位结果进行对比。结果表明：① 与CBF算法相比,压缩感知算法显著提高定位结果的分辨率;② 当声源频率为 1 000 Hz时,测量矩阵的等距约束性常数(Restricted isometry constant, RIC)远高于FOUCART边界限,不满足等距约束性条件(Restricted isometry property, RIP),压缩感知OMP算法仍能定位出主要声源的位置,而压缩感知BP算法无法对主要声源进行定位。通过数值仿真方法对不同信噪比(Signal to noise ratio, SNR)及不同声源间距下压缩感知OMP算法和CBF算法声源定位的结果进行对比。结果表明：① 当SNR为零时,压缩感知OMP算法能对主要的声源信号进行定位,而CBF算法无法对主要声源进行定位;② 在声源频率为5 000 Hz时,OMP算法的空间分辨率为0.074 m,突破了瑞利限约束。通过试验对所提出的声源定位方法的可行性进行验证。     

基于圆阵声源定位的目标上下界判定方法

通过圆形阵列和波束形成可以实现对声源目标的定位,在近距离的噪声声源定位中,声源的方位角和俯仰角范围分别为0～360°和0～90°,但通过波束形成计算方位角时,只能给出半个空间0～180°内的目标方位角,当目标出现在180～360°时,采用原有的公式和阵列顺序,计算出的功率谱是杂乱的,无法直接给出,需要通过对阵列数据进行旋转并二次计算才能得到方位角,显著增加运算时间.通过研究,提出了互相关测量法,初步判断声源所在方位,再通过波束形成算法计算出方位角,可以减小运算量,约降低1/3的计算时间.     

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。     

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。     

基于任意声矢量传感器阵列的角度和频率估计算法

提出了一种基于任意声矢量传感器阵列下联合角度和频率估计新方法.将矢量传感器阵输出的信号进行建模分析表明此信号具有平行因子四线性模型特征.利用四线性分解的唯一性条件,从分解得到的矩阵中联合估计出声源的参数.该算法首先应用平行因子四线性分解算法估计出频率矩阵和方位矩阵,然后根据频率矩阵和方位矩阵的结构特点及最小二乘方法进行声源参数的计算.该方法与传统算法相比,无需多维谱峰搜索及参数配对,并具有更高的估计精度,在工程上有一定的应用价值.计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性.     

声源定位法在检测机械故障位置中的应用

针对旋转机械发出的具有较强噪声的周期性脉冲信号,提出了一种能够找出发出声音脉冲信号的位置的声源定位方法,并将这种方法应用到确定机械设备故障所在的位置中去.仿真结果表明,在具有较强噪声干扰的情况下,该方法能够有效地确定脉冲声源的位置.     

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.