[发明专利]一种声阵列构型及声源定位方法、系统

说明书

本发明公开了一种声阵列构型及声源定位方法、系统，属于声源在线监测技术领域。本发明提出的声阵列构型相比传统二维嵌套阵列，在使用相同数目阵元的情况下，通过减少稠密子阵的大小，减小了间距小的阵元对数量，降低互耦效应的影响，抗干扰能力增强；可以选取多种类型的一维嵌套阵列，配置更加灵活；在使用相同数目阵元的情况下使阵列孔径得到扩展，提高分辨率性能，同时能够识别更多的声源数。本发明提供的声源定位方法，利用虚拟矩形阵列两个子阵的自相关矩阵和互相关矩阵，可以构建一个特征矩阵，通过对该特征矩阵进行特征分解，可以高效完成每个声源的两个波达方向角的计算，无需进行二维谱峰搜索及两个方向角之间的配对。

技术领域

本发明属于声源在线监测技术领域，更具体地，涉及一种声阵列构型及声源定位方法、系统。

背景技术

在人们的日常生活及工业生产中都有各种各样的声源，对声源的定位有着重要的作用。人的两个耳朵就像两个麦克风，可以根据两个耳朵声音的不同来判断声源的大致方位；但要对声源进行更准确地定位，往往需要更多的麦克风，这些麦克风就构成了声阵列。在工业环境中，各种仪器往往都会产生一定的噪声，对声源的准确定位可以为工作人员对仪器的监测提供便捷。例如，压气站中各种管道发生泄露时都会产生噪音，利用声阵列定位能够及时地发现问题，避免造成更大的危险。因此，准确对声源方向进行监测是一紧迫且意义重大的任务。

二维嵌套阵列用来对二维方向估计，它利用稀疏的阵列分布减少信息冗余。但是其构型中间距小的阵元对较多，使构型受互耦效应影响大；同时其阵列孔径不够大，对声源定位的分辨率还有提升空间；

目前对于声源定位主要的技术是阵列信号处理，通过布设的传感器阵列对空域信号进行采样和处理，提取信号特征及信息，完成波达方向估计。传统的阵列信号处理技术如多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)方法，旋转不变子空间(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)方法，可以完成声源定位的工作。但是，MUSIC方法需要二维谱峰搜索，造成计算复杂度高，难以满足实时性要求；ESPRIT方法需要方向角配对，配对失败会导致计算结果误差明显增大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种声阵列构型及声源定位方法、系统，其目的在于解决解决现有阵列构型结构单一，同时计算方法复杂度高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种声阵列构型，包括：分布在xoy平面上的多个阵元；其中，分布在X轴、和Y轴上的阵元均为一维稀疏嵌套阵列；对X轴上的每个阵元做关于Y轴平行线，对Y轴上的每个阵元做关于X轴平行线，其余阵元分布在平行线的交点处；

所述一维稀疏嵌套阵列包括3个以上均匀线阵，并且满足以下条件：

孔径至少为差分相关阵列为均匀线阵、差分相关阵列的阵元间距小于或等于声源波长一半；其中N表示一维稀疏嵌套阵列中阵元的数目，/表示向下取整；所述差分相关阵列表示阵元间位置差的集合。

进一步地，一维稀疏嵌套阵列为超级嵌套阵列、增强嵌套阵列、扩展嵌套阵列或最大间距约束阵列。

进一步地，孔径大于

按照本发明的另一方名提供了一种基于上述声阵列构型的声源定位方法，包括：

S1.确定声源数；

S2.将虚拟矩形阵列前W-1行作为第一子阵Z₁，后W-1行作为第二子阵Z₂，计算第一子阵和第二子阵的自相关矩阵和互相关矩阵/虚拟矩形阵列是与声阵列构型具有相同孔径的均匀矩形阵列；W为虚拟矩形阵列的宽；