[發明專利]一種低頻結合高頻二次波束形成定位方法

有效

• 申請號: 202111488901.6
• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114166339B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 柳小勤;陳邦杰
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G01S5/22
• 代理公司: 昆明隆合知識產權代理事務所(普通合伙) 53220
• 代理人: 何嬌

1.一種低頻結合高頻二次波束形成定位方法，其特征在于：所述方法包括：

S1、通過各聲發射傳感器采集待測結構損傷時發出的聲發射信號；

S2、通過主瓣、旁瓣寬度參數與最大旁瓣級來確定傳感器直線陣列對應的高低兩種最優頻帶；

S3、信號通過包絡降頻使其頻率范圍滿足定位最優低頻帶，再通過聲發射波束形成算法進行低頻定位后再確定主瓣范圍；

S4、信號通過濾波使其頻率范圍滿足定位最優高頻帶，再通過聲發射波束形成算法，在已確定的主瓣范圍內進行二次波束形成定位，最終波束形成輸出值的最大值對應的位置即為聲源的定位結果；

所述S2中包括：

引入波束形成主瓣、旁瓣寬度的參數Res來衡量空間分辨率和定位精度，對于線性陣列波束形成的主瓣、旁瓣寬度，各自分為橫向寬度Resh與縱向寬度Resz，通過公式計算不同頻率的信號對應的波束形成定位主瓣寬度參數Res1與旁瓣寬度參數Res2；

其中R_h表示為波束形成輸出結果最大值衰減20％對應的主瓣橫向寬度，Rz表示為波束形成輸出結果最大值衰減20％對應的主瓣縱向寬度，L_hint表示為波束形成算法中設置掃描網格的橫向最小間距，L_zint表示為波束形成算法中設置掃描網格的縱向最小間距；

通過公式計算不同頻率信號對應的最大旁瓣級MSL；通過分析主瓣寬度參數Res1，旁瓣寬度參數Res2與最大旁瓣級MSL，選取傳感器直線陣列定位最優的高頻帶和低頻帶；

選取的具體方法如下所示：

S2.1、當信號頻率低，在某一頻率區間波束形成定位沒有旁瓣時，旁瓣寬度參數Res2為0，選取此頻率區間為定位最優的低頻帶；

S2.2、當信號頻率高于某一頻率后波束形成定位開始出現旁瓣，不同陣列對應該頻率數值不同，當信號頻率大于該某一頻率之后，主瓣寬度參數Res1與旁瓣寬度參數Res2隨著頻率的升高而下降，所以頻帶選取應選取信號高頻部分，但最大旁瓣級隨著頻率的升高而降低，所以頻帶選取應選取信號低頻部分；同時高頻帶選取應考慮保證信號強度，從信號中高幅值強度部分選取，根據這三個選取標準選取滿足三者的最佳頻率區間為定位最優的高頻帶；

所述S4中包括：

通過信號濾波得到高頻信號其信號頻率位于高頻定位對應的頻率區間內，將定位掃描范圍設置在低頻定位確定的主瓣范圍內，再進行高頻定位；

所述S3中包括：聲發射信號經過包絡處理后降低信號頻率，使信號頻率位于最優低頻帶定位對應的頻率范圍內，后利用聲發射波束形成算法進行低頻定位；對波束形成輸出值歸一化后，其主瓣輸出值最大值為1，求其最大值1向其橫向幅值衰減20％的橫向寬度和向其縱向幅值衰減20％的縱向寬度，作為矩形的相鄰邊長，以最大值點為中心做一矩形，該矩形范圍為高頻二次定位主瓣范圍；

所述S3、S4中所述聲發射波束形成算法包括如下：

(1)、選取第i個傳感器作為參考傳感器，則第m個傳感器相對于參考傳感器接收聲源發出同一信號的時間延遲或提前表示為：式中c為聲發射信號傳播速度，L_m表示任一掃描點到第m個傳感器的最短距離，L_i表示該任一掃描點到參考傳感器的最短距離；

(2)、假設參考傳感器接收到的該掃描點發出的信號為P(t)，則根據時間延遲或提前進行相位對齊處理后，第m個傳感器接收到的該掃描點發出的信號表示為：P_m(t)＝P[t-τ_mi]，各傳感器接收的信號進行相位對齊后進行加權求和處理，得到該掃描點位置波束形成的輸出結果B：

式中：M為傳感器數目；Wm表示第m個傳感器的加權系數；

(3)、由于各陣元信號相位不相同，若掃描點為非聲源位置，則信號相位對齊后，加權求和會相互抵消輸出B值無法得到最大值，而掃描點為聲源位置時信號相位對齊加權求和不會抵消，輸出B值為最大值，所以最終輸出的B值的最大值所對應的位置就是聲源位置。

2.根據權利要求1所述的低頻結合高頻二次波束形成定位方法，其特征在于：分析陣列不同頻率信號對應的主瓣寬度參數Res1，旁瓣寬度參數Res2與最大旁瓣級MSL，選取傳感器直線陣列定位最優的高頻帶和低頻帶。