[发明专利]一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统

说明书

本发明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×n个组成阵元，m表示螺旋线的条数，n表示每条螺旋线上组成阵元的个数，其中m＝2^k，k表示拓扑荷数，k＝0,1,2,3,4，n≥3；对原始声压数据进行预处理，得到信号源声压数据；基于信号源声压数据，计算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。采用本公开的基于拓扑阵列的声源定位方法，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，并且自由度高，算法适应性好。

技术领域

本公开一般涉及声学技术领域，具体涉及一种基于拓扑阵列的声源定位方法及系统。

背景技术

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。

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。

发明内容

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。

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：

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。

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。

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：

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。

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：

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。