[发明专利]平面传感器阵列

说明书

技术领域

本发明总体上涉及信号处理领域，并且具体地，涉及使用二维(2D)传感器阵列来获取三维(3D)波场信号，并且构建所获取的、实际3D波场信号的3D波场表示。

背景技术

在信号处理领域中，期望获得实际3D波场信号的3D波场数学表示，这是因为这样的表示使得能够准确地分析3D波场。一种这样的数学表示是3D波场球面谐波分解。

球面坐标系(r,θ,φ)中的3D波场信号可以在数学上由等式1表示为球面谐波的无限和：

其中，C_nm是系数，j_N(kr)是球面贝塞尔函数，是球面谐波的表示，

是归一化的连带勒让德函数，并且是归一化的指数函数。归一化指数函数表示在φ方向的球面波，而归一化的连带勒让德函数表示在θ方向的球面波。

球面谐波是正交的，因此满足：

其中，是球面谐波的表示。

图10示出0至3阶的球面谐波的图，其示出了球面谐波的奇模1010在处为零，并且球面谐波的偶模1020在处为非零。图10还示出了对应于球面谐波的球面坐标系。为了避免使图混乱，在图10中仅部分的标记了偶模1020。根据球面谐波，在x-y平面(即，平面)上仅可观察到偶模1020。也就是说，奇模1010在x-y平面上不可检测。因此，需要将传感器放置在不同的垂直高度以获取3D波场信号，以便完全产生3D波场球面谐波分解的数学表示。

满足上述要求的一种类型的阵列配置是球形阵列。球形阵列的几何形状与球面谐波一致，这使得通过球形阵列获取的3D波场信号适合于产生3D波场球面谐波分解。有两个球形阵列配置的模型：开放球体模型(其中传感器被放置在开放空间中)和刚性球体模型(其中传感器被放置在刚性球体的表面上)。

然而，球形阵列存在的问题在于，由于球形贝塞尔函数中的零点，阵列可能在数值上受到病态的影响。该问题导致所获取的3D波信号对球形阵列的直径具有高灵敏度。此外，传感器在球形阵列上的布置遵循球面谐波的正交性的严格规则，这限制了阵列配置(特别是在传感器数量方面)的灵活性。此外，阵列的球形形状在实施方面存在困难并且不切实际。

球形阵列的另一个限制是窄频带，这是由于球形贝塞尔函数的性质造成的。因此，球形阵列不能处理球面谐波的某些阶的3D波场信号。必须小心的设计球形阵列，以使得对于目标频带来说，在球形阵列的半径处，有效球面贝塞尔函数是非零的。

因此，需要提供一种更实际的阵列配置。

发明内容

公开了一种通过使用2D传感器阵列获取3D波场信号并由所获取的3D波场信号构建3D波场表示来设法解决上述问题的布置。

根据本公开的第一方面，提供了一种使用二维(2D)传感器阵列构建三维(3D)波场的3D波场表示的方法，所述方法包括：使用2D传感器阵列获取3D波场信号，所述2D传感器阵列包括布置在2D平面中的全向传感器和一阶传感器；数字化所述获取的3D波场信号；根据所述全向传感器获取的所述数字化的3D波场信号，计算球面谐波的偶系数；根据所述一阶传感器获取的所述数字化的3D波场信号，计算所述球面谐波的奇系数；以及根据针对所述获取的3D波场信号计算的偶系数和奇系数，构建3D波场表示。

根据本公开的另一方面，提供了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质具有记录在其上的用于实现上述方法的计算机程序。

还公开了本发明的其他方面。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的至少一个实施例，其中：

图1示出了根据本公开的、使用二维(2D)阵列获取三维(3D)波场信号并构建3D波场表示的系统的框图；

图2A和2B形成了可以在其上实现所描述的布置的通用计算机系统的示意性框图；

图3A和3B示出了图1的系统的2D传感器阵列的配置；

图3C是设计2D传感器阵列的方法的流程图；

图4A和4B示出了图1的系统的实现的框图；

图4C示出了由图1A的系统捕获的声场的图(a)和(c)以及重构的声场的图(b)和(d)；

图5是利用图1的二维(2D)传感器阵列构建3D波场的三维(3D)波场表示的方法的流程图；

图6A是根据本公开的、在有源噪声消除应用中实施的图1的系统的框图；

图6B图6A的有源噪声消除系统的误差图；

图7是根据本公开的、在波束成形应用中实施的图1的系统的框图；