一种立式储油罐声源定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种立式储油罐声源定位方法，包括以下步骤：S1：在储油罐体上纵向设置n个声源，且n≥2，同时，通过麦克风阵列的方式，在储油罐体的外壁上径向等间距的设置有n组传感器，且n≥2；S2：根据S1，对传统MUSIC算法进行改进，改进MUSIC算法的声源定位分为两个步骤：1)时延估计；2)声源信号的DOA估计；S3：根据S2中的时延估计和DOA估计值，估计声源的方向；通过改进MUSIC算法，提出利用所得信号求阵列信号的方向矩阵，并构建各阵元接收对应的矢量信号，通过谱函数计算结果寻求峰值，再确定DOA估计值，从而就会提高定位系统的分辨率，也会提高声源定位准确性。高声源定位准确性。高声源定位准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种立式储油罐声源定位方法及装置


[0001]本专利技术属于声源定位相关
，具体涉及一种立式储油罐声源定位方法及装置。

技术介绍

[0002]声发射检测作为无损检测的一种方法，可用于确定声发射源的位置，评定声发射源的活性和强度，分析声发射源的性质，确定声发射发生的时间或载荷。
[0003]现有技术对声发射源的定位是通过多通道声发射检测仪来实现，根据采集信号种类不同分为突发信号定位与连续信号定位，并采用传统MUSIC算法来确定声源的方位，而传统MUSIC算法的原理是通过麦克风接收信号得到协方差矩阵，利用子空间的正交性对协方差矩阵进行特征值或奇异值分解得到信号子空间和噪声子空间，并排行参剃估计，由于多通道数据采集获得的声源信号为多组数字信号，直接对所得的声源信号求协方差矩阵，计算空间谱函数并进行峰值搜索时会出现双峰现象，所以定位系统分辨率较低，从而影响声源定位准确性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种立式储油罐声源定位方法及装置，以解决上述
技术介绍
中提出的定位系统分辨率较低，影响声源定位准确性问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种立式储油罐声源定位方法，包括以下步骤：
[0006]S1：在储油罐体上纵向设置n个声源，且n≥2，同时，通过麦克风阵列的方式，在储油罐体的外壁上径向等间距的设置有n组传感器，且n≥2；
[0007]S2：根据S1，对传统MUSIC算法进行改进，改进MUSIC算法的声源定位分为两个步骤：1)时延估计，用于计算各个阵元与参考阵元之间的时间差，根据时间差构建方向矩阵；2)声源信号的DOA估计，首先利用阵列的方向矩阵与参考阵元输出信号求得各阵元对应的矢量信号，并以此构建阵列的协方差矩阵，再划分信号子空间与噪声子空间得出谱函数，最后求得DOA估计值；
[0008]S3：根据S2中的时延估计和DOA估计值，估计声源的方向。
[0009]优选的，所述S1中的每组传感器的个数为八个，且八个传感器呈环形等间距结构分布在储油罐体的外壁上。
[0010]优选的，所述S2中的时延估计是通过广义互相关方法求延时，广义互相关法是通过求两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权来抑制噪声和反射的影响，再反变换到时域，从而得到两个信号之间的互相关函数，该互相关函数的峰值位置为两个信号之间的相对时迟；
[0011]假设麦克风接收的信号表达式如下：
[0012]x1(n)＝a1S(n
‑
τ1)+w1(n)(11)
[0013]x2(n)＝a2S(n
‑
τ2)+w2(n)(12)
[0014]式中：α1、α2为声波从声源到麦克风之间的传播衰减系数，取值范围为0～1；S(n)表示声源信号；S(n
‑
τ)表示理想状态下声源信号；τ1、τ2分别代表声源与麦克风1(参考阵元)和麦克风2(圆周上任意一个麦克风)之间的传播时间；w1(n)、w2(n)分别代表麦克风1和2接收信号中的高斯白噪声，且声源信号S(n)与噪声信号w1(n)、w2(n)两者之间互不相关；
[0015]利用阵列麦克风1和2的接收信号间互相关函数求广义互相关函数，则两路信号间延时位于互相关函数峰值处[20]。首先使用FIR带通滤波器滤除噪声信号，互相关函数如下：
[0016]R
12
(τ)＝E{x1(n)x2(n
‑
τ)}(13)
[0017]将式(11)和(12)代入式(13)得：
[0018]R
12
(τ)＝a1a2E{S(n
‑
τ1)S(n
‑
τ2‑
τ)}+a1E{S(n
‑
τ1)w2(n
‑
τ)}+a2E{S(n
‑
τ2‑
τ)w1(n)}+E{ω1(n)w2(n
‑
τ)}(14)
[0019]式中：w1(n)、w2(n)是互不相关的噪声信号，且S(n)与w1(n)、w2(n)也互不相关；因此可将式(14)化简如下：
[0020]R
12
(τ)＝a1a2E{S(n
‑
τ1)S(n
‑
τ2‑
τ)}＝a1a2R
s
(τ
‑
(τ1‑
τ2))(15)
[0021]利用麦克风1和2的互相关函数可以确定当τ＝τ1‑
τ2时，R
12
(τ)达到最大值，因此，R
12
(τ)的峰值处对应的τ值即为两个麦克风之间的时迟；在短时间内的信号处理中，R
12
(τ)的峰值可能不够突出，导致所求麦克风之间时迟τ值的精度下降；因此可用对滤波之后的信号进行加权处理来防止噪声信号以及混响等不利因素影响；对χ1(t)和χ2(t)进行快速傅里叶变换(FFT)可得X1(ω)和X2(ω)，则两路输入信号广义互相关函数为：
[0022][0023]式中：ψ
12
(ω)是广义互相关加权函数；X
2*
(ω)为麦克风2接收的声源信号FFT变换的共车；选择不同的加权函数可得到不同的延时算法。
[0024]优选的，所述S2中的定位估计：
[0025]麦克风参考阵元接收信号可表示为χ0(n)，其余各阵元接收信号可表示为χ1(n)，χ2(n)，
…
，χ
M
(n)；利用上述方法分别求出各阵元与参考阵元的时迟τ1，τ2，
…
，τ
M
，接下来按照传统MUSIC算法的形式对接受数据协方差矩阵进行特征值分解，并将特征值按升序排列；把与声源信号个数K相等的最大特征值和对应的特征向量U
S
；张成的空间看作信号子空间，它与声源有关；把剩下的M
‑
K个特征值对应的特征向量U
N
张成的空间看作噪声子空间，该空间受噪声影响，则有：
[0026][0027]扫描θ(0
°
≤θ≤90
°
)和求得谱函数值：
[0028][0029]满足峰值P
max
条件所对应的θ和值即为声源的在空间坐标系中的俯仰角和方位角。
[0030]优选的，一种立式储油罐声源定位装置，包括多个传感器、多个前置放大器、多个滤波器、多个后置放大器、多个信号调节器和计算机，多个所述传感器固定安装在储油罐体
的外壁上，多个所述传感器的输出端通过电线与多个前置放大器的输入端电性连接，多个所述前置放大器的输出端通过电线与多个滤波器的输入端电性连接，多个所述滤波器的输出端通过电线与多个后置放大器的输入端电性连接，多个所述后置放大器的输出端通过电线与多个信号调节器的输入端电性连接，多个所述信号调节器的输出端通过电线与计算机的输入端电性连接。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种立式储油罐声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在储油罐体(3)上纵向设置n个声源(2)，且n≥2，同时，通过麦克风阵列的方式，在储油罐体(3)的外壁上径向等间距的设置有n组传感器(1)，且n≥2；S2：根据S1，对传统MUSIC算法进行改进，改进MUSIC算法的声源定位分为两个步骤：1)时延估计，用于计算各个阵元与参考阵元之间的时间差，根据时间差构建方向矩阵；2)声源信号的DOA估计，首先利用阵列的方向矩阵与参考阵元输出信号求得各阵元对应的矢量信号，并以此构建阵列的协方差矩阵，再划分信号子空间与噪声子空间得出谱函数，最后求得DOA估计值；S3：根据S2中的时延估计和DOA估计值，估计声源(2)的方向。2.根据权利要求1所述的一种立式储油罐声源定位方法，其特征在于：所述S1中的每组传感器(1)的个数为八个，且八个传感器(1)呈环形等间距结构分布在储油罐体(3)的外壁上。3.根据权利要求1所述的一种立式储油罐声源定位方法，其特征在于：所述S2中的时延估计是通过广义互相关方法求延时，广义互相关法是通过求两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权来抑制噪声和反射的影响，再反变换到时域，从而得到两个信号之间的互相关函数，该互相关函数的峰值位置为两个信号之间的相对时迟；假设麦克风接收的信号表达式如下：x1(n)＝a1S(n
‑
τ1)+w1(n)(11)x2(n)＝a2S(n
‑
τ2)+w2(n)(12)式中：α1、α2为声波从声源到麦克风之间的传播衰减系数，取值范围为0～1；S(n)表示声源信号；S(n
‑
τ)表示理想状态下声源信号；τ1、τ2分别代表声源与麦克风1(参考阵元)和麦克风2(圆周上任意一个麦克风)之间的传播时间；w1(n)、w2(n)分别代表麦克风1和2接收信号中的高斯白噪声，且声源信号S(n)与噪声信号w1(n)、w2(n)两者之间互不相关；利用阵列麦克风1和2的接收信号间互相关函数求广义互相关函数，则两路信号间延时位于互相关函数峰值处[20]。首先使用FIR带通滤波器滤除噪声信号，互相关函数如下：R
12
(τ)＝E{x1(n)x2(n
‑
τ)}(13)将式(11)和(12)代入式(13)得：R
12
(τ)＝a1a2E{S(n
‑
τ1)S(n
‑
τ2‑
τ)}+a1E{S(n
‑
τ1)w2(n
‑
τ)}+a2E{S(n
‑
τ2‑
τ)w1(n)}+E{ω1(n)w2(n
‑
τ)}(14)式中：w1(n)、w2(n)是互不相关的噪声信号，且S(n)与w1(n)、w2(n)也互不相关；因此可将式(14)化简如下：R
12
(τ)＝a1a2E{S(n
‑
τ1)S(n
‑
τ2‑
τ)}＝a1a2R
s
(τ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴晓锋，梁晓瑜，胡斌，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：