[發明專利]平面傳感器陣列

在審

• 申請號: 201580050930.0
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN107155344A
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 陳漢馳;P·T·阿巴亞帕拉;張雯
• 申請（專利權）人: 澳大利亞國立大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G01S3/00;G06F17/10;G06F19/00;H01Q21/00;H01Q21/24;H01Q21/29;H04R1/32
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司11270
• 代理人: 胡春光,張穎玲

技術領域

本發明總體上涉及信號處理領域，并且具體地，涉及使用二維(2D)傳感器陣列來獲取三維(3D)波場信號，并且構建所獲取的、實際3D波場信號的3D波場表示。

背景技術

在信號處理領域中，期望獲得實際3D波場信號的3D波場數學表示，這是因為這樣的表示使得能夠準確地分析3D波場。一種這樣的數學表示是3D波場球面諧波分解。

球面坐標系(r,θ,φ)中的3D波場信號可以在數學上由等式1表示為球面諧波的無限和：

其中，C_nm是系數，j_N(kr)是球面貝塞爾函數，是球面諧波的表示，

是歸一化的連帶勒讓德函數，并且是歸一化的指數函數。歸一化指數函數表示在φ方向的球面波，而歸一化的連帶勒讓德函數表示在θ方向的球面波。

球面諧波是正交的，因此滿足：

其中，是球面諧波的表示。

圖10示出0至3階的球面諧波的圖，其示出了球面諧波的奇模1010在處為零，并且球面諧波的偶模1020在處為非零。圖10還示出了對應于球面諧波的球面坐標系。為了避免使圖混亂，在圖10中僅部分的標記了偶模1020。根據球面諧波，在x-y平面(即，平面)上僅可觀察到偶模1020。也就是說，奇模1010在x-y平面上不可檢測。因此，需要將傳感器放置在不同的垂直高度以獲取3D波場信號，以便完全產生3D波場球面諧波分解的數學表示。

滿足上述要求的一種類型的陣列配置是球形陣列。球形陣列的幾何形狀與球面諧波一致，這使得通過球形陣列獲取的3D波場信號適合于產生3D波場球面諧波分解。有兩個球形陣列配置的模型：開放球體模型(其中傳感器被放置在開放空間中)和剛性球體模型(其中傳感器被放置在剛性球體的表面上)。

然而，球形陣列存在的問題在于，由于球形貝塞爾函數中的零點，陣列可能在數值上受到病態的影響。該問題導致所獲取的3D波信號對球形陣列的直徑具有高靈敏度。此外，傳感器在球形陣列上的布置遵循球面諧波的正交性的嚴格規則，這限制了陣列配置(特別是在傳感器數量方面)的靈活性。此外，陣列的球形形狀在實施方面存在困難并且不切實際。

球形陣列的另一個限制是窄頻帶，這是由于球形貝塞爾函數的性質造成的。因此，球形陣列不能處理球面諧波的某些階的3D波場信號。必須小心的設計球形陣列，以使得對于目標頻帶來說，在球形陣列的半徑處，有效球面貝塞爾函數是非零的。

因此，需要提供一種更實際的陣列配置。

發明內容

公開了一種通過使用2D傳感器陣列獲取3D波場信號并由所獲取的3D波場信號構建3D波場表示來設法解決上述問題的布置。

根據本公開的第一方面，提供了一種使用二維(2D)傳感器陣列構建三維(3D)波場的3D波場表示的方法，所述方法包括：使用2D傳感器陣列獲取3D波場信號，所述2D傳感器陣列包括布置在2D平面中的全向傳感器和一階傳感器；數字化所述獲取的3D波場信號；根據所述全向傳感器獲取的所述數字化的3D波場信號，計算球面諧波的偶系數；根據所述一階傳感器獲取的所述數字化的3D波場信號，計算所述球面諧波的奇系數；以及根據針對所述獲取的3D波場信號計算的偶系數和奇系數，構建3D波場表示。

根據本公開的另一方面，提供了一種包括計算機可讀介質的計算機程序產品，所述計算機可讀介質具有記錄在其上的用于實現上述方法的計算機程序。

還公開了本發明的其他方面。

附圖說明

現在將參考附圖描述本發明的至少一個實施例，其中：

圖1示出了根據本公開的、使用二維(2D)陣列獲取三維(3D)波場信號并構建3D波場表示的系統的框圖；

圖2A和2B形成了可以在其上實現所描述的布置的通用計算機系統的示意性框圖；

圖3A和3B示出了圖1的系統的2D傳感器陣列的配置；

圖3C是設計2D傳感器陣列的方法的流程圖；

圖4A和4B示出了圖1的系統的實現的框圖；

圖4C示出了由圖1A的系統捕獲的聲場的圖(a)和(c)以及重構的聲場的圖(b)和(d)；

圖5是利用圖1的二維(2D)傳感器陣列構建3D波場的三維(3D)波場表示的方法的流程圖；

圖6A是根據本公開的、在有源噪聲消除應用中實施的圖1的系統的框圖；

圖6B圖6A的有源噪聲消除系統的誤差圖；

圖7是根據本公開的、在波束成形應用中實施的圖1的系統的框圖；