[發明專利]一種聲陣列構型及聲源定位方法、系統

有效

• 申請號: 202110503825.5
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113296056B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 劉雙凌;朱明;彭功偉;陳燕哲;楊蘆慧;張雙秀
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20;G06F17/16
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發明公開了一種聲陣列構型及聲源定位方法、系統，屬于聲源在線監測技術領域。本發明提出的聲陣列構型相比傳統二維嵌套陣列，在使用相同數目陣元的情況下，通過減少稠密子陣的大小，減小了間距小的陣元對數量，降低互耦效應的影響，抗干擾能力增強；可以選取多種類型的一維嵌套陣列，配置更加靈活；在使用相同數目陣元的情況下使陣列孔徑得到擴展，提高分辨率性能，同時能夠識別更多的聲源數。本發明提供的聲源定位方法，利用虛擬矩形陣列兩個子陣的自相關矩陣和互相關矩陣，可以構建一個特征矩陣，通過對該特征矩陣進行特征分解，可以高效完成每個聲源的兩個波達方向角的計算，無需進行二維譜峰搜索及兩個方向角之間的配對。

技術領域

本發明屬于聲源在線監測技術領域，更具體地，涉及一種聲陣列構型及聲源定位方法、系統。

背景技術

在人們的日常生活及工業生產中都有各種各樣的聲源，對聲源的定位有著重要的作用。人的兩個耳朵就像兩個麥克風，可以根據兩個耳朵聲音的不同來判斷聲源的大致方位；但要對聲源進行更準確地定位，往往需要更多的麥克風，這些麥克風就構成了聲陣列。在工業環境中，各種儀器往往都會產生一定的噪聲，對聲源的準確定位可以為工作人員對儀器的監測提供便捷。例如，壓氣站中各種管道發生泄露時都會產生噪音，利用聲陣列定位能夠及時地發現問題，避免造成更大的危險。因此，準確對聲源方向進行監測是一緊迫且意義重大的任務。

二維嵌套陣列用來對二維方向估計，它利用稀疏的陣列分布減少信息冗余。但是其構型中間距小的陣元對較多，使構型受互耦效應影響大；同時其陣列孔徑不夠大，對聲源定位的分辨率還有提升空間；

目前對于聲源定位主要的技術是陣列信號處理，通過布設的傳感器陣列對空域信號進行采樣和處理，提取信號特征及信息，完成波達方向估計。傳統的陣列信號處理技術如多重信號分類(Multiple Signal Classification,MUSIC)方法，旋轉不變子空間(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)方法，可以完成聲源定位的工作。但是，MUSIC方法需要二維譜峰搜索，造成計算復雜度高，難以滿足實時性要求；ESPRIT方法需要方向角配對，配對失敗會導致計算結果誤差明顯增大。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種聲陣列構型及聲源定位方法、系統，其目的在于解決解決現有陣列構型結構單一，同時計算方法復雜度高的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種聲陣列構型，包括：分布在xoy平面上的多個陣元；其中，分布在X軸、和Y軸上的陣元均為一維稀疏嵌套陣列；對X軸上的每個陣元做關于Y軸平行線，對Y軸上的每個陣元做關于X軸平行線，其余陣元分布在平行線的交點處；

所述一維稀疏嵌套陣列包括3個以上均勻線陣，并且滿足以下條件：

孔徑至少為差分相關陣列為均勻線陣、差分相關陣列的陣元間距小于或等于聲源波長一半；其中N表示一維稀疏嵌套陣列中陣元的數目，/表示向下取整；所述差分相關陣列表示陣元間位置差的集合。

進一步地，一維稀疏嵌套陣列為超級嵌套陣列、增強嵌套陣列、擴展嵌套陣列或最大間距約束陣列。

進一步地，孔徑大于

按照本發明的另一方名提供了一種基于上述聲陣列構型的聲源定位方法，包括：

S1.確定聲源數；

S2.將虛擬矩形陣列前W-1行作為第一子陣Z₁，后W-1行作為第二子陣Z₂，計算第一子陣和第二子陣的自相關矩陣和互相關矩陣/虛擬矩形陣列是與聲陣列構型具有相同孔徑的均勻矩形陣列；W為虛擬矩形陣列的寬；