本發(fā)明涉及多源定位，具體涉及一種基于麥克風(fēng)矩陣的電力設(shè)施空間多聲源三維定位方法、系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、針對(duì)麥克風(fēng)陣列的聲源定位問題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究。hahn等人提出了基于可控波束形成的聲源定位方法，然而該方法需要聲源和環(huán)境噪聲的先驗(yàn)知識(shí)，這在實(shí)際場(chǎng)景中很難獲得。dibiase等人提出了導(dǎo)向響應(yīng)功率-相位變換方法，但該方法需要全局搜索，運(yùn)算量較大。schmidt提出了music(multiple?signa1?classification,多重信號(hào)分類法)，但該算法僅適用于信源個(gè)數(shù)已知且信源間不相干的場(chǎng)合。對(duì)此，后續(xù)眾多學(xué)者做出了相應(yīng)的改進(jìn)。改進(jìn)的music算法雖然部分打破了經(jīng)典music的限制，但由于該類算法涉及到協(xié)方差矩陣估計(jì)和矩陣求逆，運(yùn)算復(fù)雜度高，不利于實(shí)時(shí)處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于麥克風(fēng)矩陣的電力設(shè)施空間多聲源三維定位方法、系統(tǒng)，能夠在含有多個(gè)聲源的接收信號(hào)中實(shí)現(xiàn)對(duì)各聲源的三維高精度定位。

2、為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于麥克風(fēng)矩陣的電力設(shè)施空間多聲源三維定位方法，包括以下步驟：

4、s1、設(shè)定麥克風(fēng)矩陣接收電力設(shè)備的q個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)，陣元沿水平和垂直方向的間距均為d。

5、s2、將麥克風(fēng)矩陣分別進(jìn)行行陣列和列陣列相加合成，得到方位線陣和俯仰線陣。

6、s3、在方位線陣和俯仰線陣的中心安裝激光測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量陣列中心至遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)所在平面的距離r。

7、s4、利用多相濾波器分別將方位線陣和俯仰線陣的整個(gè)奈奎斯特頻譜劃分為k個(gè)不重疊的子帶，實(shí)現(xiàn)多聲源分離，并基于多相濾波器的多聲源分離的特征，運(yùn)用多相分解和采樣率變換性質(zhì)得到前置降采樣結(jié)構(gòu)。

8、s5、利用music譜峰搜索方法對(duì)方位線陣聲源信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源信號(hào)的方位入射角。

9、s6、利用music譜峰搜索方法對(duì)俯仰線陣聲源信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源信號(hào)的俯仰入射角。

10、s7、根據(jù)陣列與電力設(shè)備所在平面的距離信息，計(jì)算聲源信號(hào)的三維坐標(biāo)，完成多聲源的三維定位。

11、進(jìn)一步的，步驟s2中，方位線陣和俯仰線陣的具體表達(dá)式為：

12、

13、其中，x表示方位線陣接收信號(hào)；表示第i個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)方位陣列的接收導(dǎo)引矢量，j表示虛部，fi表示第i個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)的頻譜，表示第i個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)的入射方位角，c表示聲速，m表示方位和俯仰線陣的陣元數(shù)，上角標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算符；xi表示第i個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)的復(fù)振幅；表示第q個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)方位陣列的接收導(dǎo)引矢量；xq表示第q個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)的復(fù)振幅；n1表示方位線陣的接收噪聲；re()表示取實(shí)部運(yùn)算；y表示俯仰線陣接收信號(hào)；表示第q個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)俯仰陣列的接收導(dǎo)引矢量；表示第i個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)俯仰陣列的接收導(dǎo)引矢量，表示第i個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)的入射俯仰角；n2表示俯仰線陣的接收噪聲。

14、進(jìn)一步的，步驟s4中，得到前置降采樣結(jié)構(gòu)包括以下子步驟：

15、s401、根據(jù)劃分子帶總數(shù)k和采樣頻率fs設(shè)計(jì)原型低通濾波器，該濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

16、

17、其中，h(z)表示原型低通濾波器的z變換表達(dá)式；h0(n)表示第n階原型低通濾波器系數(shù)；n表示原型低通濾波器的總階數(shù)，n為k的倍數(shù)；fs＝bk，b表示原型低通濾波器的帶寬；z表示復(fù)變量。

18、s402、對(duì)第r個(gè)方位線陣的接收信號(hào)xr和原型低通濾波器進(jìn)行多相分解，具體公式為：

19、

20、eq(l)＝h0(kl+q)

21、其中，表示第r個(gè)方位線陣接收信號(hào)的第q個(gè)子帶的多相信號(hào)，q＝0,1,...,k-1，eq(l)表示第q個(gè)子帶的多相濾波器系數(shù)，m表示多相分解后的信號(hào)各路子序列長(zhǎng)度，l表示多相分解后的濾波器各路子序列長(zhǎng)度。

22、s403、結(jié)合步驟s402中多相分解的結(jié)果，計(jì)算第q個(gè)子帶的方位時(shí)域信號(hào)，具體公式為：

23、

24、其中，表示第q個(gè)子帶的方位時(shí)域信號(hào)，idft表示逆離散傅里葉變換，eq(m)表示多相分解后信號(hào)子序列對(duì)應(yīng)的第q個(gè)子帶的多相濾波器系數(shù)。

25、基于多相濾波器的多聲源分離的特征，每個(gè)子帶多相濾濾波器均由原型低通濾波器h0(n)平移獲得，則第q個(gè)子帶的多相濾濾波器響應(yīng)hq(n)為：

26、

27、其中，wq表示第q個(gè)子帶的中心頻率，

28、進(jìn)一步的，步驟s5中，得到聲源的方位入射角包括以下子步驟：

29、s501、計(jì)算方位線陣第p個(gè)聲源信號(hào)的協(xié)方差矩陣，具體公式為：

30、

31、其中，表示方位線陣第p個(gè)聲源信號(hào)的協(xié)方差矩陣，g表示時(shí)域樣本總數(shù)，表示方位線陣第p個(gè)聲源信號(hào)的第g個(gè)時(shí)域樣本，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算符。

32、s502、對(duì)進(jìn)行特征分解并將特征值降序排列，將特征值對(duì)應(yīng)的特征向量分別構(gòu)成信號(hào)子空間和噪聲子空間

33、s503、利用music譜峰搜索方法計(jì)算方位空間譜，具體公式為：

34、

35、其中，表示第p個(gè)聲源信號(hào)的方位空間譜，θx表示方位入射角，ax表示方位導(dǎo)引矢量，axh表示ax的共軛轉(zhuǎn)置。

36、對(duì)θx進(jìn)行一維搜索，譜峰值則為第p個(gè)聲源信號(hào)的方位入射角

37、進(jìn)一步的，步驟s6中，得到聲源的俯仰入射角包括以下子步驟：

38、s601、計(jì)算俯仰線陣第p個(gè)聲源信號(hào)的協(xié)方差矩陣，具體公式為：

39、

40、其中，表示俯仰線陣第p個(gè)聲源信號(hào)的協(xié)方差矩陣，表示俯仰線陣第p個(gè)聲源信號(hào)的第g個(gè)時(shí)域樣本。

41、s602、對(duì)進(jìn)行特征分解并將特征值降序排列，將特征值對(duì)應(yīng)的特征向量分別構(gòu)成信號(hào)子空間和噪聲子空間

42、s603、利用music譜峰搜索方法計(jì)算俯仰空間譜，具體公式為：

43、

44、其中，表示第p個(gè)聲源信號(hào)的俯仰空間譜，θy表示俯仰入射角，ay表示俯仰導(dǎo)引矢量，ayh表示ay的共軛轉(zhuǎn)置。

45、對(duì)θy進(jìn)行一維搜索，譜峰值則為第p個(gè)聲源信號(hào)的俯仰入射角

46、進(jìn)一步的，步驟s7中，計(jì)算聲源信號(hào)的三維坐標(biāo)包括以下子步驟：

47、s701、根據(jù)公式得到第p個(gè)聲源信號(hào)所在平面橫軸坐標(biāo)xp。

48、s702、根據(jù)公式計(jì)算得到第p個(gè)聲源信號(hào)所在平面縱軸坐標(biāo)yp。

49、s703、第p個(gè)聲源信號(hào)的三維坐標(biāo)為(r,xp,yp)；重復(fù)步驟s5-s7，進(jìn)而獲得每個(gè)聲源信號(hào)的三維坐標(biāo)。

50、進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出了基于麥克風(fēng)矩陣的電力設(shè)施空間多聲源三維定位系統(tǒng)，包括：

51、數(shù)據(jù)設(shè)定模塊，用于設(shè)定麥克風(fēng)矩陣接收電力設(shè)備的q個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)，陣元沿水平和垂直方向的間距均為d。

52、信號(hào)合成模塊，用于將麥克風(fēng)矩陣分別進(jìn)行行陣列和列陣列相加合成，得到方位線陣和俯仰線陣。

53、距離測(cè)量模塊，用于在方位線陣和俯仰線陣的中心安裝激光測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量陣列中心至遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)所在平面的距離r。

54、前置降采樣結(jié)構(gòu)獲取模塊，用于利用多相濾波器分別將方位線陣和俯仰線陣的整個(gè)奈奎斯特頻譜劃分為k個(gè)不重疊的子帶，實(shí)現(xiàn)多聲源分離，并基于多相濾波器的多聲源分離的特征，運(yùn)用多相分解和采樣率變換性質(zhì)得到前置降采樣結(jié)構(gòu)。

55、入射角獲取模塊，用于利用music譜峰搜索方法對(duì)方位線陣聲源信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源信號(hào)的方位入射角；利用music譜峰搜索方法對(duì)俯仰線陣聲源信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源信號(hào)的俯仰入射角。

56、三維坐標(biāo)獲取模塊，用于根據(jù)陣列與電力設(shè)備所在平面的距離信息，計(jì)算聲源信號(hào)的三維坐標(biāo)，完成多聲源的三維定位。

57、進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出了一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述基于麥克風(fēng)矩陣的電力設(shè)施空間多聲源三維定位方法的步驟。

58、進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出了一種計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器運(yùn)行時(shí)執(zhí)行所述的基于麥克風(fēng)矩陣的電力設(shè)施空間多聲源三維定位方法。

59、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

60、本發(fā)明將多相濾波器與music相結(jié)合，以麥克風(fēng)矩陣和長(zhǎng)測(cè)距傳感器為硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境聲源的搜索，能夠在含有多個(gè)聲源的接收信號(hào)中實(shí)現(xiàn)對(duì)各聲源的三維高精度定位。同時(shí)本發(fā)明有效提高了信噪比，通過平移原型低通濾波器得到的多相濾濾波器，可以利用多相分解和采樣率變換性質(zhì)以減小運(yùn)算量，提升運(yùn)算效率。