[发明专利]一种低频多点异面声源3D成像方法

权利要求书

1.一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：利用凸柱面公式构成3D球形麦克风阵列移动的轨迹方式，进行凸柱面-3D非同步测量；

S02：常规非同步测量是通过移动单个平面阵列来实现更大、更密集的孔径阵列，凸柱面-3D非同步测量是针对特定的柱面轨迹移动3D球形麦克风阵列，该凸柱面移动轨迹能够显著提径向定位能力、有利于3D空间声源定位；

S03：对采集信号进行预处理，使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能，以柱面非同步测量-能量谱矩阵的原理为核心，对柱面非同步测量-能量谱矩阵进行特定构造；

S04：利用柱面非同步测量的多信号分类算法，获得3D低频多点异面声源定位成像结果图，然后，将上凸面与下凸面获得声源位置和实际仿真低频多点异面位置、相对声源幅度作比较。

2.根据权利要求1所述的一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于：所述步骤S01中，进行声源3D成像方法是利用点排列构造成柱面的非同步测量方法，是一种真实场景中非同步测量方式的改进，凸柱面轨迹公式为：

其中，X表示x轴位移，Y表示y轴位移，R表示半径，h表示柱面高度范围，θ表示角度范围，n是正整数，对于柱面二元一般表达式：

F＝(X+R)²+Y²-R²

下凸面确定公式为：

F(λ*X₁+(1-λ)X₂，λ*Y₁+(1-λ)Y₂)≤λ*F(X₁，Y₁)+(1-λ)*F(X₂，Y₂)

其中，λ∈[0，1]，满足以上，规定为下凸柱面，相反，则为上凸柱面。

3.根据权利要求1所述的一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于：所述步骤S02中，对于低频多点异面而言，首先，假设声源为稳态声源，将3D球形阵列以等角度、等弧长凸柱面轨迹顺序移动到L个位置，并测量每个位置的源，在源平面上假设有Q不相关的远场窄带信号，因此，在柱面非同步测量中第{l}^th(l＝1，...，L)位置接收到的数据向量可以在频域中表示为：

P_{l}＝G_{l}S+E_{l}

其中，S＝[s₁，...，s_Q]^T∈C^Qx1为频域内的远场窄带不相关信号；P是接收到的信号向量；E表示模型的不确定性，包括噪声干扰和模型逼近，假设噪声是独立的和同分布的，遵循复高斯分布的随机变量；为空间阵列的导向矢量；

其中，和t′分别表示声源的位置矢量和信号发射时刻，和t分别表示接收端的位置矢量和信号接收时刻，|·|表示向量的模，δ(.)表示狄拉克函数。

4.根据权利要求1所述的一种低频多点异面声源3D成像方法，其特征在于：所述步骤S03中，根据谱矩阵的特定构造和算法填充，具体步骤可以表示为：柱面非同步测量的第二步是协方差矩阵补全，利用柱面非同步测量可以得到凸柱面轨迹中每个测量位置的小协方差矩阵将接收到的信号数据向量P_{l}的协方差矩阵表示为

其中，是不相关源的协方差矩阵，表示q^th源的功率，因此，可以直接获得一个块对角矩阵，表示缺失项的合成协方差矩阵，其非对角块为空，由于缺少连续位置之间的相位关系而替换为零，然后，一个完整的合成协方差矩阵可以得到矩阵，最后，要对协方差矩阵继续进行稀疏性对称矩阵的快速特征值分解，目的是为了使算法快速、准确成像；

而且，协方差矩阵补全问题可以表述为一个约束优化问题，快速迭代收缩阈值分析算法被用来求解约束优化问题，与同时测量相比，算法不可避免地会导致矩阵补全误差，一个完整的协方差矩阵的优化模型为：

其中||·||_*表示一个矩阵的核范数，它被定义为特征值λ_i的和，目标函数最小化是寻找具有最小核范数A(·)表示获取矩阵的对角线块中的元素的采样运算符。