[发明专利]一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，具体是一种高压水射流靶物探测识别技术。

背景技术

当高压水射流在非切割的工况下冲击物体时，会产生反射声音信号，不同材质的物体产生的反射声信号不同。因此，利用高压水射流结合声音信号的采集与处理技术可实现靶物(如地雷等)的识别和定位。

目前国内外基于传声器阵列的声源定位技术主要有三种方法：基于波束形成的方法、基于高分辨率谱估计的方法、基于到达时间差的方法(TDOA)。其中基于波束形成的定位方法存在需要声源和环境噪声的先验知识、对初始点的选取相当敏感、计算复杂等特点，因此不适合被用在实时系统中。基于高分辨率谱估计的定位方法要求估计参数固定不变、信号是平稳过程、受声音混响作用影响，因此也无法用于实际定位。

基于到达时间差的定位方法计算量远远小于前两种，且定位精度相对较高，不受阵列结构的限制，因此本发明利用该方法作为高压水射流靶物定位算法。目前常用的传声器阵列是直线型传声器阵列和圆弧形传声器阵列，两种传声器阵列各有优缺点。为了扩大探测面积和提高探测效率，本发明采用线性射流阵列进行探测，利用传声器阵列实现射流反射声的实时采集。为了实现靶物的精确识别定位，可以采用基于传声器阵列的声源定位方法加以实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法，本发明利用圆弧形传声器阵列进行靶物探测定位,介绍了基于到达时间差的声源定位原理的圆弧形传声器阵列的探测定位原理。利用YG-201型传声器阵列搭建了仿真实验装置，利用LabVIEW和Matlab软件编制了相应的数据采集与处理软件，进行了圆弧形传声器阵列探测定位精度对和阵列参数优化实验。实验结果表明，圆弧型传声器阵列对高压水射流靶物的定位精度(9.03mm)远高于直线型传声器的定位精度(88.89mm)，各传声器相邻最佳距离为200mm，对应的最佳圆周角为30°。

本发明的有益效果：

1、本发明提高了高压水射流靶物探测中的靶物定位精度。

附图说明

图1为本发明传声器阵列示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法，弧型传声器阵列中传声器均匀在分布在一个圆弧上，由三个传声器均匀分布在圆弧O、A、B三点上，中间的传声器作为直角坐标系的原点，两边均匀分布等数量的传声器。

其中P为声源的位置，∠BOx为α，为两个相邻传声器连线与x轴正半轴的夹角，α取不同的值表示不同直径的圆弧。∠POx为θ，即声源、中间传声器连线与x轴正半轴的夹角。m为两个相邻传声器的距离，m和α为传声器阵列的参数。R为声源与中间传感器的距离，求出R和θ的值可得出声源在坐标系中的位置。根据几何关系可得出下列关系式：

其中，m------两侧传声器距中间传声器的距离；

τ₁-------右边传声器与中间传声器的时间差；

τ_-1-------左边传声器与中间传声器的时间差。

由上述两种传声器阵列定位原理可知，计算出声源到每个传声器的时间延迟，可以根据时延估计法可得出声源的位置，因此准确计算出每个传声器之间的时间差对于精确估计生源位置非常重要。

广义互相关时延估计法(GCC)是一种经典的时延估计方法。它是通过建立两个传声器接收到的信号间的互相关函数，取其峰值位置来获得时延估计^[8]。两个传声器接收到的信号间的互相关函数R_0i(τ)可表示如下：

R_0i(τ)＝E[x₀(t)x_i(t-τ)]

式中E(·)表示数学期望，x₀(t)和x_i(t-τ)分别表示标号为0和i的传感器在t时刻采集到的靶物反射声信号，τ为两信号间的时延。

由于不同靶物对应的高压水射流反射声不同，因此可以对每个传声器采集的信号进行处理，提取反映靶物的信号进行互相关函数运算，进而计算出公式中的τ，即可得到某种靶物反射声传递至两个传声器之间的时间差，进而判断出声源(靶物)的位置。