一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统，该方法包括采集构成拓扑螺旋结构声学传感器阵列的各组成阵元的原始声压数据，拓扑螺旋结构声学传感器阵列包括m

A method and system of sound source location based on topological array

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统


[0001]本公开一般涉及声学
，具体涉及一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统。

技术介绍

[0002]声源定位技术可广泛应用于语音增强、车载系统环境、回声消除以及机械设备振动和噪声检测等领域。其中，传统规则性的声学传感器阵列的几何结构为均匀直线阵和均匀圆形阵，而均匀阵的阵元布置呈对称结构，自由度受限于阵元个数，无法在信号源数目大于阵元个数的条件进行有效信号处理，同时受奈奎斯特采样速率定律的限制，阵元间距要小于半波长，这会造成测向精度低和分辨率下降，不能满足复杂的应用环境以及竞争激烈的市场需求。
[0003]目前，相关技术中声学传感器阵列主要采用稀疏阵列，该稀疏阵列不仅使阵列的阵元分布不受半个波长间距的限制，还相较于具有相同物理天线数的均匀线阵，拥有更多的空间自由度和更大的阵列孔径，但是现有阵列结构对定位算法的鲁棒性影响大，具有局限性。

技术实现思路

[0004]鉴于相关技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统，能够提升分辨性能和定位精度。
[0005]第一方面，本公开提供一种基于拓扑阵列的声源定位方法，所述方法包括：
[0006]采集构成拓扑螺旋结构声学传感器阵列的各组成阵元的原始声压数据，所述拓扑螺旋结构声学传感器阵列包括m
×
n个所述组成阵元，m表示螺旋线的条数，n表示每条螺旋线上所述组成阵元的个数，其中m＝2
k
，k表示拓扑荷数，k＝0,1,2,3,4，n≥3；<br/>[0007]对所述原始声压数据进行预处理，得到信号源声压数据；
[0008]基于所述信号源声压数据，计算所述各组成阵元之间的信号关联性，并确定目标声源的位置，得到声场强度分布图。
[0009]可选地，在本公开一些实施例中，所述拓扑螺旋结构包括对数螺线、阿基米德螺线和双曲螺线中的任意一种。
[0010]可选地，在本公开一些实施例中，所述声学传感器阵列通过如下步骤构建：
[0011]基于螺旋线方程和所述组成阵元到阵列中心参考点的距离范围[r1,r2]，确定极角范围[θ1,θ2]，其中θ1表示初始极角，θ2表示终止极角；
[0012]基于每条螺旋线上所述组成阵元的个数n和所述极角范围[θ1,θ2]，将各所述组成阵元以均匀极角间隔布置在所述螺旋线上，并基于所述螺旋线的条数m，确定阵列相邻螺旋线起始位置的极角增量2π/m以及所有螺旋线上所述组成阵元的位置。
[0013]可选地，在本公开一些实施例中，所述对所述原始声压数据进行预处理，得到信号
源声压数据，包括：
[0014]利用一阶高通非递归型数字滤波器，对所述原始声压数据进行计算得到预加重数据；
[0015]对所述预加重数据进行连续交叠分段处理，得到分帧加窗数据；
[0016]对所述分帧加窗数据进行傅里叶变换，得到所述信号源声压数据。
[0017]可选地，在本公开一些实施例中，所述计算所述各组成阵元之间的信号关联性包括计算所述各组成阵元接收信号的互相关函数
[0018][0019]其中，表示组成阵元1,2信号的相关谱，X1表示第1路目标声源信号的当前帧，X2表示第2路目标声源信号的当前帧，f表示第1路目标声源信号和第2路目标声源信号之间的时间延迟，φ(f)表示权函数，表示广义相关谱。
[0020]可选地，在本公开一些实施例中，所述计算所述各组成阵元之间的信号关联性包括计算所述各组成阵元接收信号的空间谱P(θ)，
[0021][0022]其中，α(θ)表示小特征值对应的特征向量，E
N
表示噪声子空间的单位方向向量，θ表示方位角，
‑
90
°
≤θ≤90
°
，N表示声源个数。
[0023]可选地，在本公开一些实施例中，所述计算所述各组成阵元之间的信号关联性包括基于所述各组成阵元信号加权滤波形成的波束，求解确定所述波束最大输出功率的值所对应的位置。
[0024]可选地，在本公开一些实施例中，所述声学传感器阵列的中心还设置有光学传感器，所述光学传感器的中心与所述声学传感器阵列的中心同轴，所述方法还包括：
[0025]利用所述光学传感器采集待测区域图像；
[0026]在所述待测区域图像上叠加所述声场强度分布图，生成声学成像图。
[0027]第二方面，本公开提供一种基于拓扑阵列的声源定位系统，所述系统包括：
[0028]第一采集模块，配置用于采集构成拓扑螺旋结构声学传感器阵列的各组成阵元的原始声压数据，所述拓扑螺旋结构声学传感器阵列包括m
×
n个所述组成阵元，m表示螺旋线的条数，n表示每条螺旋线上所述组成阵元的个数，其中m＝2
k
，k表示拓扑荷数，k＝0,1,2,3,4，n≥3；
[0029]预处理模块，配置用于对所述原始声压数据进行预处理，得到信号源声压数据；
[0030]定位模块，配置用于基于所述信号源声压数据，计算所述各组成阵元之间的信号关联性，并确定目标声源的位置，得到声场强度分布图。
[0031]从以上技术方案可以看出，本公开实施例具有以下优点：
[0032]本公开实施例提供了一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统，通过具有拓扑螺旋结构的声学传感器阵列进行声源定位，由于该声学传感器阵列中各组成阵元呈非完全镜
像对称，能够以极角的极小变化引起极径上的极大变化，因此使得阵元布置更为灵活，突破了奈奎斯特定律对阵元间距的限制，可以扩展阵列孔径，有效提升了分辨性能和定位精度；同时可获得超过物理阵元个数的自由度，使得定位算法所能识别的信源数大于阵元数目，降低了软硬件成本开销，并且算法适应性好，对于不同定位算法，都能够得到更高的轴向和径向精度。
[0033]进一步地，本公开一些实施例中还通过声学传感器阵列和光学传感器的协同工作，将声音强度分布和视频图像叠加，在听觉与视觉之间建立高效联系，实现了对复杂的声学信息进行可视化，从而使得声学信号的分析和诊断变得更为简单直接，提高了处理效率。
附图说明
[0034]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0035]图1为本公开实施例提供的一种基于拓扑阵列的声源定位方法的流程示意图；
[0036]图2为本公开实施例提供的一种具有拓扑螺旋结构的声学传感器阵列示意图；
[0037]图3为本公开实施例提供的另一种具有拓扑螺旋结构的声学传感器阵列示意图；
[0038]图4为本公开实施例提供的又一种具有拓扑螺旋结构的声学传感器阵列示意图；
[0039]图5为本公开实施例提供的一种声场计算示意图；
[0040]图6为本公开实施例提供的另一种基于拓扑阵列的声源定位方法的流程示意图；
[0041]图7为本公开实施例提供的一种基于拓扑阵列的声本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑阵列的声源定位方法，其特征在于，所述方法包括：采集构成拓扑螺旋结构声学传感器阵列的各组成阵元的原始声压数据，所述拓扑螺旋结构声学传感器阵列包括m
×
n个所述组成阵元，m表示螺旋线的条数，n表示每条螺旋线上所述组成阵元的个数，其中m＝2
k
，k表示拓扑荷数，k＝0,1,2,3,4，n≥3；对所述原始声压数据进行预处理，得到信号源声压数据；基于所述信号源声压数据，计算所述各组成阵元之间的信号关联性，并确定目标声源的位置，得到声场强度分布图。2.根据权利要求1所述的基于拓扑阵列的声源定位方法，其特征在于，所述拓扑螺旋结构包括对数螺线、阿基米德螺线和双曲螺线中的任意一种。3.根据权利要求1至2中任意一项所述的基于拓扑阵列的声源定位方法，其特征在于，所述声学传感器阵列通过如下步骤构建：基于螺旋线方程和所述组成阵元到阵列中心参考点的距离范围[r1,r2]，确定极角范围[θ1,θ2]，其中θ1表示初始极角，θ2表示终止极角；基于每条螺旋线上所述组成阵元的个数n和所述极角范围[θ1,θ2]，将各所述组成阵元以均匀极角间隔布置在所述螺旋线上，并基于所述螺旋线的条数m，确定阵列相邻螺旋线起始位置的极角增量2π/m以及所有螺旋线上所述组成阵元的位置。4.根据权利要求1所述的基于拓扑阵列的声源定位方法，其特征在于，所述对所述原始声压数据进行预处理，得到信号源声压数据，包括：利用一阶高通非递归型数字滤波器，对所述原始声压数据进行计算得到预加重数据；对所述预加重数据进行连续交叠分段处理，得到分帧加窗数据；对所述分帧加窗数据进行傅里叶变换，得到所述信号源声压数据。5.根据权利要求1所述的基于拓扑阵列的声源定位方法，其特征在于，所述计算所述各组成阵元之间的信号关联性包括计算所述各组成阵元接收信号的互相关函数组成阵元之间的信号关联性包括计算所述各组成阵元接收信号的互相关函数其中，表示组...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晗，胡宁，高然，林振源，孙超，郝鹏祥，
申请(专利权)人：张晗，
类型：发明
国别省市：