[发明专利]一种基于声学成像的GIS设备机械故障检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于声学成像的GIS设备机械故障检测方法，用于GIS设备机械故障检测系统，其特征在于，检测系统包括声信号采集模块、声信号处理模块、声场成像模块、视频采集模块、叠加定位输出模块和人机交互终端；

所述声信号采集模块包括麦克风阵列和模数转换模块；

所述麦克风阵列用于获取异响源辐射声场信号，并传输到所述模数转换模块中，将采集的模拟声场信号进行数字化处理，传输至声信号处理模块；所述麦克风阵列采用非均匀螺旋形结构布置，所述麦克风阵列中各麦克风之间的间隔为0.04m，麦克风阵列孔径均为0.6m；

所述声信号处理模块接收声信号采集模块传输的声音信号，并对接收的声音信号进行噪声去除与幅值增强处理；

所述声场成像模块用于接收所述声信号处理模块传输的声音信号数据，通过声学算法对接收的声音信号数据进行分析处理，获得声源的特征信息参数，并输出包含声源信息的声场分布云图；

所述叠加定位输出模块用于接收声场分布云图数据和所述视频采集模块采集的可见光图像数据，以可见光图像数据为背景，将声场分布云图与其叠加获得声学成像效果图，并根据人机交互终端的指令将所述声学成像效果图输出显示；

所述检测方法包括如下步骤：

步骤S1：声音信号的采集及处理，根据设定的麦克风阵列采集待检测设备的声场信号，获取多个通道的声音信号，并对采集的声音信号进行去噪和放大处理；

具体如下：

对多通道声音信号X(n)进行加窗分帧，得到帧长为N的第i帧语音信号xi(m)；

对得到的语音信号进行快速傅里叶变换，得到变换后输出的信号xi(k)；

对xi(k)信号通过噪声估计算法处理和幅值计算分别得到信号D(k)和幅值二次方|xi(k)|²；

通过谱减法获得谱减输出，并结合保留相位的xi(k)信号进行快速傅里叶反变换得到最终输出信号，谱减计算公式如下：

其中γ表示谱减幅值，为频谱幅值或功率谱幅值，α和β分别为过减因子和增益补偿因子；

步骤S2：设定测点平面，根据麦克风阵列的结构、麦克风阵列声源位置以及与测点平面的距离，建立测点平面测点模型；

建立声源聚焦点模型，获取聚焦点分布，声源位置、声源强度参数，构建对应的声源聚焦点模型；

步骤S3：根据采集的声信号数据基于声学原理对各通道声信号进行计算，获得该麦克风阵列接收声信号的互谱矩阵，

步骤S4：根据得到的互谱矩阵，通过波束形成算法声源聚焦点模型聚焦面上的点进行聚焦输出，计算输出的最大值获得的聚焦点即为实际的声源位置；

步骤S5：根据得到的实际的声源位置，建立点扩散函数与实际的声源位置的卷积关系；

步骤S6：通过波束形成延长、求和、加权处理，对建立的卷积关系进行迭代计算，更新聚焦点的位置，当达到设定的迭代次数，则完成聚焦，输出声场分布云图；

步骤S7：叠加及定位输出，获取在声场信号采集过程中进行同步采集的可见光图像数据，将声场分布云图与可见光图像进行叠加，输出最终的声学成像效果图。

2.根据权利要求1所述的基于声学成像的GIS设备机械故障检测方法，其特征在于，在谱减法去噪过程中，对噪声估计算法处理得到的信号D(k)进行了去噪声残留处理，将经过去噪声残留处理后的输出信号作为输入，再进行谱减处理，去噪声残留处理具体公式如下：

3.根据权利要求1所述的基于声学成像的GIS设备机械故障检测方法，其特征在于，在结合保留相位的xi(k)信号过程中，对谱减输出信号进行平均谱值计算，将谱减输出信号对应的平均谱值输出与保留相位的xi(k)信号结合，平均谱值计算公式如下：

Y_i(k)表示第i帧信号对应的平均谱值，即以i帧信号为中心，求取2M+1帧信号的平均值。