[發明專利]一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統及方法

在審

• 申請號: 202110017987.8
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112763058A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 張嵩陽;王磊磊;張健壯;萬迪明;王東暉;王廣周;姚德貴;呂中賓;任定一;汲勝昌;祝令喻;田旭;聶京凱;王梟
• 申請（專利權）人: 國網河南省電力公司電力科學研究院;西安交通大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G06K9/00
• 代理公司: 北京智繪未來專利代理事務所(普通合伙) 11689
• 代理人: 肖繼軍;張紅蓮

1.一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統，包括采集前端、數據采集儀、通訊總線、交互終端和供電電源，其特征在于：

所述采集前端，為自定義坐標聲學傳感器陣列，用于對噪聲信號進行實時采集；

所述數據采集儀，用于對采集前端采集的噪聲信號進行預處理，并利用其包含的FPGA運算模塊，對預處理得到的數據進行計算，得到陣列聲學云圖與光學云圖匹配的實時成像結果；

所述實時成像結果通過通訊總線傳輸至交互終端并顯示；

所述通訊總線，用于實現系統數據的傳輸通訊；

所述交互終端，用于交互指令下發以及聲學成像結果的顯示。

2.根據權利要求1所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統，其特征在于，所述數據采集儀對采集前端采集的噪聲信號進行的預處理包括：放大、濾波及A/D轉換。

3.根據權利要求1所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統，其特征在于，所述采集前端為麥克風陣列，即由多個麥克風按照一定的空間幾何位置排列組成的陣列，用來采集空間中的聲信號并實現濾波。

4.根據權利要求1所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統，其特征在于，所述FPGA運算模塊基于相控陣波束形成原理計算得到聲學云圖，并以采集測量中同步記錄的可見光圖像為背景，通過幾何配準將聲學云圖與可見光圖像疊加，得到聲學成像結果。

5.根據權利要求1所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統，其特征在于，所述交互指令包括系統的啟動、停止和參數設置。

6.根據權利要求1-5任一項所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析系統的噪聲信號實時數據分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，根據實際現場需求對自定義坐標陣列排布的采集前端進行陣列參數設置，交互終端控制軟件將自定義坐標陣列文件導入至數據采集儀硬件內部；

步驟2，采集前端實時采集噪聲信號并傳輸至數據采集儀；

步驟3，數據采集儀預處理噪聲信號，并通過FPGA運算模塊進行計算，得到實時成像結果；

步驟4，實時成像結果通過通訊總線傳輸到交互終端進行顯示。

7.根據權利要求6所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析方法，其特征在于，步驟1所述陣列參數包括幾何參數和特征參數；

所述幾何參數包括陣元間距、陣元空間幾何形式、陣列孔徑大小和陣元數目；

所述特征參數包括陣列的指向性、主瓣寬度、旁瓣大小和空間分辨率。

8.根據權利要求7所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析方法，其特征在于，所述陣列空間幾何形式包括十字形、矩形、環形以及輪輻形。

9.根據權利要求6所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析方法，其特征在于，步驟3中，FPGA運算模塊的成像方法為：

步驟3.1，FPGA運算模塊讀取已導入至數據采集儀內部的陣列坐標，并將坐標代入至底層運行程序中，對聲發射表面進行網格劃分，基于聲波到不同聲學傳感器的傳播時間，結合幾何運算獲取各網格節點到各聲學傳感器的聲音傳播時延，并根據聲音傳播時延，對采集的聲波信號進行重構處理，得到重構聲波信號；

步驟3.2，對重構聲波信號和初始聲波信號進行疊加處理，得到聲學云圖；

步驟3.3，根據聲學云圖和光學云圖進行幾何配準，生成聲發射表面的聲學成像結果。

10.根據權利要求9所述的一種自定義坐標陣列噪聲信號實時數據分析方法，其特征在于，步驟3.2中，聲學云圖的各網格點的波束形成計算后輸出的聲壓值計算表達式為：

式中，B為波束形成計算后輸出的聲壓值，d為聲源與聲音傳感器之間的距離，t表示采樣時間，M為聲學傳感器數量，w_l為第l號聲學傳感器的加權系數，p_l(ω)為第l號聲學傳感器接收到信號，為重構信號，ω表示聲音的圓頻率，Δt_l為第l號聲學傳感器與參考聲學傳感器之間的時間延遲，j表示復數。