本發(fā)明屬于低頻聲源定位，特別是涉及一種基于聲陣列信號(hào)相位差放大的低頻聲源定位方法，可以大幅提升低頻聲源定位精度，提高設(shè)備異響類缺陷檢出效率。

背景技術(shù)：

1、設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的聲音信號(hào)包含了豐富的狀態(tài)信息，使用聲陣列信號(hào)可以估計(jì)出可聽(tīng)聲范圍內(nèi)最大聲源位置。許多威脅設(shè)備安全的異響類缺陷頻率較低，如變壓器繞組松動(dòng)、隔離開(kāi)關(guān)均壓球異響等頻率在1000hz以內(nèi)。提高麥克風(fēng)陣列的低頻聲源定位精度，對(duì)于提高設(shè)備缺陷檢出效率，提升設(shè)備壽命具有重要意義。

2、目前提升低頻段定位精度有硬件改進(jìn)和算法增強(qiáng)兩種路徑。硬件改進(jìn)主要方式為陣列孔徑擴(kuò)展，主要有兩類，第一類是單一陣列的孔徑擴(kuò)展。例如，2001年波音公司開(kāi)始了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在250英尺寬、300英尺長(zhǎng)的區(qū)域布置了超過(guò)600顆麥克風(fēng)的螺旋陣列，測(cè)量飛機(jī)在不高于11.2khz范圍內(nèi)所有噪音分布情況。單一陣列孔徑擴(kuò)展一般對(duì)場(chǎng)地要求高，陣列中間不能有障礙物遮擋，而且需要考慮信號(hào)采集的延遲，陣列校準(zhǔn)等問(wèn)題。

3、另一類物理擴(kuò)展方案是在更大空間內(nèi)使用小尺寸陣列組建分布式陣列。例如，erik?verreycken等人為了定位野生鳥(niǎo)類，在屋頂17m×18m的區(qū)域內(nèi)布置了一個(gè)由10個(gè)小規(guī)模陣列組成的分布式陣列，每個(gè)小陣列有10個(gè)麥克風(fēng)。相比大孔徑單麥克風(fēng)陣列，分布式麥克風(fēng)陣列具有靈活性高、覆蓋區(qū)域大、定位準(zhǔn)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4、大孔徑麥克風(fēng)陣列需要在所有通道之間保持嚴(yán)格的時(shí)間同步，使用高精度的時(shí)間同步控制模塊以確保所有的麥克風(fēng)都在同一時(shí)刻進(jìn)行采樣。而且大孔徑麥克風(fēng)陣列還存在校準(zhǔn)問(wèn)題，大孔徑麥克風(fēng)陣列的位置、增益的校準(zhǔn)容易出錯(cuò)、耗時(shí)且困難，通道靈敏度的變化最多可達(dá)到6db。對(duì)于某些檢測(cè)空間有限的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，陣列孔徑擴(kuò)展無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)空間限制，而且長(zhǎng)時(shí)間的校準(zhǔn)也會(huì)極大提升檢測(cè)耗時(shí)。

5、算法增強(qiáng)主要技術(shù)為陣列孔徑虛擬擴(kuò)展，該技術(shù)通過(guò)對(duì)實(shí)際采集到的陣列信號(hào)進(jìn)行處理得到虛擬陣列信號(hào)或協(xié)方差矩陣，最終提高麥克風(fēng)陣列的主瓣分辨率，提升定位精度。這種方法可以突破物理陣列的孔徑限制，在不增加硬件成本的條件下，獲得更好的性能。陣列孔徑虛擬擴(kuò)展的常用理論有：內(nèi)插變換法、外推變換法、高階累積量法、壓縮感知理論、共軛虛擬法、差分域方法以及仿生耦合算法等。內(nèi)插變換法、外推變換法、高階累積量法、壓縮感知理論、共軛虛擬法等方法存在計(jì)算量大、陣列孔徑擴(kuò)展倍數(shù)有限、受陣列幾何結(jié)構(gòu)限制、多目標(biāo)分辨能力差等問(wèn)題。目前基于仿生耦合算法的陣列孔徑虛擬擴(kuò)展技術(shù)因相位差放大性能好、計(jì)算速度快、可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)放大、不受陣列幾何結(jié)構(gòu)限制等優(yōu)勢(shì)逐漸被應(yīng)用到低頻聲源定位中。

6、現(xiàn)有技術(shù)1(cn116804734a)公開(kāi)了一種差分域的平面麥克風(fēng)陣列的高分辨率成像方法、裝置及存儲(chǔ)介質(zhì)，將該方法運(yùn)用于二維嵌套陣列等典型平面稀疏陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行向量化，得到原始陣列的差分共陣，然后基于差分共陣進(jìn)行聲成像，可在差分域獲得具有更高自由度的均勻矩形陣列，從而可用少量的麥克風(fēng)獲得高分辨的聲成像。但是現(xiàn)有技術(shù)1的不足之處在于使用差分域方法在陣列間距比較小的時(shí)候低頻信號(hào)的相位差小，差分信號(hào)的信噪比非常低，要求陣元之間的匹配度和一致性非常高。現(xiàn)有技術(shù)1使用了基于延遲求和的方法，該方法不屬于虛擬陣列孔徑擴(kuò)展，只是對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行增強(qiáng)，提升了信噪比。也對(duì)陣列提出了一定要求，僅在陣元間距比較大的情況下適應(yīng)比較好，陣元間距較小時(shí)，不能達(dá)到預(yù)期效果。

7、現(xiàn)有技術(shù)2(cn116863951a)公開(kāi)了一種變電站低頻聲源定位系統(tǒng)及方法，上位機(jī)具體用于根據(jù)共軛虛擬方法構(gòu)造虛擬陣列擴(kuò)展實(shí)際陣列孔徑的方式對(duì)去噪后的聲音信號(hào)進(jìn)行聲源定位，輸出聲源位置。但是現(xiàn)有技術(shù)2的不足之處在于共軛虛擬法，該方法要求陣列具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而且最大放大倍數(shù)為2倍。目前基于仿生耦合算法的虛擬陣列擴(kuò)展技術(shù)存在以下問(wèn)題：(1)現(xiàn)有研究中推導(dǎo)高維miles仿生耦合模型時(shí)，以遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)為前提并作“小角度假設(shè)”，導(dǎo)致推導(dǎo)出的放大系數(shù)公式忽略了聲源頻率、信號(hào)間時(shí)延差等因素的影響，在近場(chǎng)低頻場(chǎng)景下應(yīng)用效果會(huì)變差；(2)構(gòu)建高維miles模型時(shí)使用各陣元間距相同的假設(shè)，導(dǎo)致對(duì)于具備一定尺寸的麥克風(fēng)陣列，基于該假設(shè)構(gòu)建的仿生耦合算法對(duì)陣列信號(hào)的相位差放大性能無(wú)法達(dá)到最優(yōu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明針對(duì)使用普通高維miles仿生耦合模型在近場(chǎng)低頻場(chǎng)景以及較大孔徑麥克風(fēng)陣列下應(yīng)用效果差的問(wèn)題，提出高維miles仿生耦合模型耦合系數(shù)校正方法，在此基礎(chǔ)上提出基于改進(jìn)的高維miles仿生模型的低頻聲陣列信號(hào)處理方法，提升低頻聲源定位精度。

2、本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

3、本發(fā)明第一方面提供了一種基于聲陣列信號(hào)相位差放大的低頻聲源定位方法，步驟包括：

4、步驟1：采集麥克風(fēng)陣列的陣元坐標(biāo)，計(jì)算陣元間距系數(shù)矩陣；

5、步驟2：基于步驟1中計(jì)算的陣元間距系數(shù)矩陣，通過(guò)校正高維miles模型耦合系數(shù)來(lái)校正聲陣列信號(hào)相位差放大系數(shù)，得到改進(jìn)的高維miles模型；

6、步驟3：基于步驟2中校正后的改進(jìn)的高維miles模型，以及原始miles模型的自耦合系數(shù)，計(jì)算全連接耦合下改進(jìn)的高維miles模型的耦合放大矩陣；

7、步驟4：基于步驟3中計(jì)算的耦合放大矩陣，以及原始陣列接收信號(hào)矩陣，計(jì)算耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)矩陣和耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣；

8、步驟5：基于步驟3中計(jì)算的耦合放大矩陣，以及原始陣列導(dǎo)向矢量矩陣，計(jì)算耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣和去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣；

9、步驟6：基于步驟4計(jì)算的耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣和步驟5計(jì)算的去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣進(jìn)行空間譜估計(jì)，得到低頻聲源位置估計(jì)結(jié)果。

10、優(yōu)選地，步驟1中，包括：

11、步驟1.1：以現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)麥克風(fēng)陣列所在平面建立xoy平面，以垂直xoy平面方向?yàn)閦軸，在陣列上選取參考點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，確定麥克風(fēng)陣列上每個(gè)陣元坐標(biāo)；

12、步驟1.2：基于步驟1.1的陣元坐標(biāo)，計(jì)算麥克風(fēng)陣列陣元間距，得到陣列間距矩陣，如下式所示：

13、

14、步驟1.3：基于步驟1.2得到的陣列間距矩陣，查詢陣元間距矩陣中的最大值作為基準(zhǔn)距離，陣元間距矩陣中除對(duì)角線外的每個(gè)元素除以基準(zhǔn)距離，同時(shí)將對(duì)角線元素全部改為1，獲得計(jì)算陣元間距系數(shù)矩陣如下：

15、

16、優(yōu)選地，步驟2中，改進(jìn)的高維miles模型耦合系數(shù)計(jì)算公式如下：

17、

18、式中，c′3i,j表示高維miles模型校正后的耦合阻尼系數(shù)，k′3i,j表示高維miles模型校正后的耦合彈簧系數(shù)，αi,j表示n元麥克風(fēng)陣列陣元間距系數(shù)，c3表示高維miles模型的原始耦合阻尼系數(shù)，k3表示高維miles模型的原始耦合彈簧系數(shù)。

19、優(yōu)選地，步驟3中，改進(jìn)的高維miles模型的耦合放大矩陣如下：

20、

21、fi，j＝i(c+c′3i，j)ω2+k+k′3i，j-mω2

22、gi，j＝k′3i，j+ic′3i，jω2

23、式中，i,j＝1,2,3,…,n，n為麥克風(fēng)陣列陣元數(shù)，fi,j和gi,j為改進(jìn)的高維miles模型各項(xiàng)系數(shù)和聲源頻率組成的中間表達(dá)式，ω為聲音信號(hào)角頻率rad/s，c'3i,j表示改進(jìn)的高維miles模型校正后的耦合阻尼系數(shù)，k3'i,j表示改進(jìn)的高維miles模型校正后的耦合彈簧系數(shù)，c為自耦合阻尼系數(shù)，k為自耦合彈力系數(shù)，m為自耦合集中等效質(zhì)量系數(shù)。

24、優(yōu)選地，步驟4中，耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)由耦合放大矩陣左乘原始陣列接收信號(hào)得到，計(jì)算公式如下所示：

25、

26、式中，p為原始陣列接收信號(hào)矩陣，t(h)為改進(jìn)的高維miles模型的耦合放大矩陣，為耦合放大后的陣列信號(hào)矩陣。

27、優(yōu)選地，步驟4中，耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣計(jì)算公式如下所示：

28、

29、式中，表示耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣，為耦合放大后的陣列信號(hào)矩陣，為的共軛轉(zhuǎn)置。

30、優(yōu)選地，步驟5中，耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣計(jì)算公式如下所示：

31、

32、式中，為耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣，t(h)為改進(jìn)的高維miles模型的耦合放大矩陣，a為原始陣列導(dǎo)向矢量矩陣。

33、優(yōu)選地，步驟5中，去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣計(jì)算公式如下所示：

34、

35、式中，為去模的陣列導(dǎo)向矢量，為耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣，為的共軛轉(zhuǎn)置。

36、優(yōu)選地，步驟6中，空間譜估計(jì)算法采用cbf算法，計(jì)算公式如下所示：

37、

38、式中，gcbf為空間譜估計(jì)結(jié)果，表示低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣，為去模的陣列導(dǎo)向矢量，為的共軛轉(zhuǎn)置。

39、本發(fā)明第二方面提供了一種采用上述基于聲陣列信號(hào)相位差放大的低頻聲源定位方法的低頻聲源定位系統(tǒng)，包括：

40、陣元坐標(biāo)采集模塊、陣元間距系數(shù)矩陣生成模塊、改進(jìn)的高維miles模型生成模塊、耦合放大矩陣生成模塊、耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)矩陣和耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣生成模塊、耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣和去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣生成模塊和低頻聲源位置估計(jì)模塊；

41、其中，陣元坐標(biāo)采集模塊用于采集麥克風(fēng)陣列的陣元坐標(biāo)；

42、陣元間距系數(shù)矩陣生成模塊用于基于陣元坐標(biāo)采集模塊采集的麥克風(fēng)陣列的陣元坐標(biāo)，計(jì)算陣元間距系數(shù)矩陣；

43、改進(jìn)的高維miles模型生成模塊用于基于陣元間距系數(shù)矩陣生成模塊計(jì)算的陣元間距系數(shù)矩陣，通過(guò)校正高維miles模型耦合系數(shù)來(lái)校正聲陣列信號(hào)相位差放大系數(shù)，得到改進(jìn)的高維miles模型；

44、耦合放大矩陣生成模塊用于基于改進(jìn)的高維miles模型生成模塊校正后的改進(jìn)的高維miles模型，以及原始miles模型的自耦合系數(shù)，計(jì)算全連接耦合下改進(jìn)的高維miles模型的耦合放大矩陣；

45、耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)矩陣和耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣生成模塊用于基于耦合放大矩陣生成模塊計(jì)算的耦合放大矩陣，以及原始陣列接收信號(hào)矩陣，計(jì)算耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)矩陣和耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣；

46、耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣和去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣生成模塊用于基于耦合放大矩陣生成模塊計(jì)算的耦合放大矩陣，以及原始陣列導(dǎo)向矢量矩陣，計(jì)算耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣和去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣；

47、低頻聲源位置估計(jì)模塊用于基于耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)矩陣和耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣生成模塊計(jì)算的耦合放大的低頻聲陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣和耦合放大的陣列導(dǎo)向矢量矩陣和去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣生成模塊計(jì)算的去模的陣列導(dǎo)向矢量矩陣進(jìn)行空間譜估計(jì)，得到低頻聲源位置估計(jì)結(jié)果。

48、本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比，

49、1、本發(fā)明提出一種基于聲陣列信號(hào)相位差放大的低頻聲源定位方法，可以提升聲陣列信號(hào)相位差放大系數(shù)一致性，提高低頻聲源分辨力和定位精度。

50、2、本發(fā)明采用最大陣元間距為基準(zhǔn)距離，使小陣元間距的相位差放大系數(shù)縮小至與基準(zhǔn)距離對(duì)應(yīng)的相位差放大系數(shù)相當(dāng)?shù)乃?，降低相位差放大系?shù)的離散程度，提升低頻聲源定位精度。