一种低频多点异面声源3D成像方法技术

本发明专利技术公开了一种低频多点异面声源3D成像方法，运用3D球形阵列进行非同步测量：提出一种特定的凸柱面移动方式；然后，利用多通道麦克风阵列采集信号的“时间

【技术实现步骤摘要】
一种低频多点异面声源3D成像方法


[0001]本专利技术涉及信号处理
，尤其涉及一种低频多点异面声源3D成像方法。

技术介绍

[0002]波束形成技术是声成像或重建的一种重要方法，在声源定位和降噪方面得到了广泛的应用，波束形成算法可以描述为同时记录源信号的平面中的所有麦克风，然后通过最大化波束形成器的结果来定位源的位置；
[0003]非同步测量(NSM)是一种通过声场顺序扫描实现低频声定位性能的有效方法，有证据表明，通过对移动麦克风阵列的非同步测量，可以提高在二维平面上的声源定位的精度，然而，现有的方法只能在2000Hz以上的频率下进行声源成像；
[0004]在噪声源识别与定位中，声源成像研究一般用平面阵列在二维平面中成像，其中非同步测量主要以平面移动为主，二维平面阵列的非同步测量方法序贯移动平面阵列，扫描空间分布的声源，近似获得大孔径及高密度的传声器阵列的测量，再通过传统波束形成算法成像，对声源定位；
[0005]目前，3D球形麦克风阵列应用在三维平面成像中，非同步测量的方式依旧延续了平面阵列在远场二维平面成像的方法，采用了水平移动，在一定程度上提高了CBF空间分辨率，但未做出在3D空间中的创新，并且，现有文献还未曾出现过以柱面作为移动轨迹。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供借用3D球形麦克风阵列构造出基于凸柱面轨迹
‑
3D
‑
非同步测量的方法，在低频(500Hz以下)多点异面处进一步提高了分辨率，便于大范围、远距离的测量的一种低频多点异面声源3D成像方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种低频多点异面声源3D成像方法，包括以下步骤：
[0008]S01：利用凸柱面公式构成3D球形麦克风阵列移动的轨迹方式，进行凸柱面
‑
3D非同步测量；
[0009]S02：常规非同步测量是通过移动单个平面阵列来实现更大、更密集的孔径阵列，凸柱面
‑
3D非同步测量是针对特定的柱面轨迹移动3D球形麦克风阵列，该凸柱面移动轨迹能够显著提径向定位能力、有利于3D空间声源定位；
[0010]S03：对采集信号进行预处理，使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能，以柱面非同步测量
‑
能量谱矩阵的原理为核心，对柱面非同步测量
‑
能量谱矩阵进行特定构造；
[0011]S04：利用柱面非同步测量的多信号分类算法，获得3D低频多点异面声源定位成像结果图，然后，将上凸面与下凸面获得声源位置和实际仿真低频多点异面位置、相对声源幅度作比较。
[0012]作为上述技术方案的进一步描述：
[0013]所述步骤S01中，进行声源3D成像方法是利用点排列构造成柱面的非同步测量方
法，是一种真实场景中非同步测量方式的改进，凸柱面轨迹公式为：
[0014][0015]其中，X表示x轴位移，Y表示y轴位移，R表示半径，h表示柱面高度范围，θ表示角度范围，n是正整数，对于柱面二元一般表达式：
[0016]F＝(X+R)2+Y2‑
R2[0017]下凸面确定公式为：
[0018]F(λ*X1+(1
‑
λ)X2，λ*Y1+(1
‑
λ)Y2)≤λ*F(X1，Y1)+(1
‑
λ)*F(X2，Y2)
[0019]其中，λ∈[0，1]，满足以上，规定为下凸柱面，相反，则为上凸柱面。
[0020]作为上述技术方案的进一步描述：
[0021]所述步骤S02中，对于低频多点异面而言，首先，假设声源为稳态声源，将3D球形阵列以等角度、等弧长凸柱面轨迹顺序移动到L个位置，并测量每个位置的源，在源平面上假设有Q不相关的远场窄带信号，因此，在柱面非同步测量中第{l}
th
(l＝1，...，L)位置接收到的数据向量可以在频域中表示为：
[0022]P
{l}
＝G
{l}
S+E
{l}
[0023]其中，S＝[s1，...，s
Q
]T
∈C
Qx1
为频域内的远场窄带不相关信号；P是接收到的信号向量；E表示模型的不确定性，包括噪声干扰和模型逼近，假设噪声是独立的和同分布的，遵循复高斯分布的随机变量；为空间阵列的导向矢量；
[0024][0025]其中，和t
′
分别表示声源的位置矢量和信号发射时刻，和t分别表示接收端的位置矢量和信号接收时刻，|
·
|表示向量的模，δ(.)表示狄拉克函数。
[0026]作为上述技术方案的进一步描述：
[0027]所述步骤S03中，根据谱矩阵的特定构造和算法填充，具体步骤可以表示为：柱面非同步测量的第二步是协方差矩阵补全，利用柱面非同步测量可以得到凸柱面轨迹中每个测量位置的小协方差矩阵将接收到的信号数据向量P
{l}
的协方差矩阵表示为
[0028][0029]其中，是不相关源的协方差矩阵，表示q
th
源的功率，因此，可以直接获得一个块对角矩阵，表示缺失项的合成协方差矩阵，其非对角块为空，由于缺少连续位置之间的相位关系而替换为零，然后，一个完整的合成协方差矩阵可以得到矩阵，最后，要对协方差矩阵继续进行稀疏性对称矩阵的快速特征值分解，目的是为了使算法快速、准确成像；
[0030]而且，协方差矩阵补全问题可以表述为一个约束优化问题，快速迭代收缩阈值分析算法被用来求解约束优化问题，与同时测量相比，算法不可避免地会导致矩阵补全误差，一个完整的协方差矩阵的优化模型为：
[0031][0032][0033]其中||
·
||
*
表示一个矩阵的核范数，它被定义为特征值λ
i
的和，目标函数最小化是寻找具有最小核范数A(
·
)表示获取矩阵的对角线块中的元素的采样运算符。
[0034]作为上述技术方案的进一步描述：
[0035]所述步骤S04中，根据谱矩阵的特定构造和算法填充，NCSM
‑
MUSIC
‑
3D成像过程可以表示为：
[0036][0037]其中，为的矢量形式，由测量的声压计算得到，它是由麦克风阵列在每个NCSM位置的实际位置计算出来的，U是R
ss
中特征值对应的特征向量张成的子空间。
[0038]作为上述技术方案的进一步描述：
[0039]所述步骤S04中，通过上凸面与下凸面获得低频声源成像的结果相比于平面低频声源成像的优势，通过2范数误差：
[0040][0041][0042]在上述技术方案中，本专利技术提供的一种低频多点异面声源3D成像方法，具有以下有益效果：
[0043]该低频多点异面声源3D成像方法利用柱面轨迹移动的方式，针对多点异面声源，能够使用凸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：利用凸柱面公式构成3D球形麦克风阵列移动的轨迹方式，进行凸柱面
‑
3D非同步测量；S02：常规非同步测量是通过移动单个平面阵列来实现更大、更密集的孔径阵列，凸柱面
‑
3D非同步测量是针对特定的柱面轨迹移动3D球形麦克风阵列，该凸柱面移动轨迹能够显著提径向定位能力、有利于3D空间声源定位；S03：对采集信号进行预处理，使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能，以柱面非同步测量
‑
能量谱矩阵的原理为核心，对柱面非同步测量
‑
能量谱矩阵进行特定构造；S04：利用柱面非同步测量的多信号分类算法，获得3D低频多点异面声源定位成像结果图，然后，将上凸面与下凸面获得声源位置和实际仿真低频多点异面位置、相对声源幅度作比较。2.根据权利要求1所述的一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于：所述步骤S01中，进行声源3D成像方法是利用点排列构造成柱面的非同步测量方法，是一种真实场景中非同步测量方式的改进，凸柱面轨迹公式为：其中，X表示x轴位移，Y表示y轴位移，R表示半径，h表示柱面高度范围，θ表示角度范围，n是正整数，对于柱面二元一般表达式：F＝(X+R)2+Y2‑
R2下凸面确定公式为：F(λ*X1+(1
‑
λ)X2，λ*Y1+(1
‑
λ)Y2)≤λ*F(X1，Y1)+(1
‑
λ)*F(X2，Y2)其中，λ∈[0，1]，满足以上，规定为下凸柱面，相反，则为上凸柱面。3.根据权利要求1所述的一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于：所述步骤S02中，对于低频多点异面而言，首先，假设声源为稳态声源，将3D球形阵列以等角度、等弧长凸柱面轨迹顺序移动到L个位置，并测量每个位置的源，在源平面上假设有Q不相关的远场窄带信号，因此，在柱面非同步测量中第{l}
th
(l＝1，...，L)位置接收到的数据向量可以在频域中表示为：P
{l}
＝G
{l}
S+E
{l}
其中，S＝[s1，...，s
Q
]
T
∈C
Qx1
为频域内的远场窄带...

【专利技术属性】
技术研发人员：初宁，徐建锋，刘慧敏，嘉法理，王文龙，
申请(专利权)人：浙江上风高科专风实业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：