[发明专利]一种圆阵列声源定位可视化系统及方法

权利要求书

1.一种圆阵列声源定位可视化系统，它包括：在圆心为O，半径为r圆上均匀分布设置16个传声器；

一视觉采集模块，所述视觉采集模块包括：在位于圆心为O，即光心，光轴方向向外，重合于Z轴位置置有工业相机，所述工业相机通过USB线与上位机电连接，并将采集的视觉信息上传给上位机；

一数据采集模块，所述数据采集模块为数据采集卡，数据采集卡通过信号线与16个传声器输出端电连接，数据采集卡通过USB线与上位机相连，将传声器采集的声音信号以电压值输出给数据采集卡，数据采集将电压信息上传给上位机；

一数据处理模块，所述数据处理模块处理计算采集的视觉数据、声音数据，解算声源角度，显示声源在照片中的位置及其声强功率大小，

其特征是，它的声源定位方法的内容包括：

1)获取第5传声器接收的数据x₅、第13传声器接收的数据x₁₃，假设第13传声器相对于第5传声器的时延为τ_d，计算第5传声器、第13传声器接收数据的互相关

其中，E[·]为期望；

计算取得最大值时τ的值，得到时间差τ；

根据时间差τ的正负判断声源所处象限，确定方位角搜寻范围，若时间差为正，方位角搜寻范围为180°-360°，若时间差为负，方位角搜寻范围为0°-180°；

计算传声器收到声音信号的傅里叶变换，求出声源信号的主频f；

计算出声源信号的波长λ＝c/f；

计算角度为θ,时传声器阵列的矢量矩阵

其中，θ为仰角，为方位角，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚部，γ_m＝2πm/M，m＝0,1,…,M-1为第m个传声器；M为传声器数目，r为半径，λ为声源波长；

计算该角度下的传声器阵列的输出y(t)：

其中，为第m个传声器在角度为下的转置，x_m(t)为第m个传声器采集到的声音数据；

计算角度为θ,下传声器阵列的输出功率

其中，为的转置，矩阵R为阵元输出x(t)的协方差矩阵，即R＝E[x(t)x(t)^H]，E为期望，x(t)^H为x(t)的转置；

2)变步长功率谱峰搜寻角度

取初始角度搜寻步长step₁为20°，获取功率谱最大值P_max1；重新在最大值P_max1对应角度θ₁,下划定搜寻范围θ₁±30°,取第二次搜寻步长step₂为1°，获取第二次搜寻功率谱最大值P_max2；再次在最大值P_max2对应角度θ₂,下划定搜寻范围θ₂±2°,取第三次搜寻步长step₃为0.1°，获取第三次搜寻功率谱最大值P_max3对应的角度θ₃,即为声源位置角度；

3)坐标逆映射实现声源可视化

选取第1传声器、第5传声器、第9传声器、第13传声器，坐标分别为A₁(r,0,0)，A₂(0,r,0)，A₃(-r,0,0)，A₄(0,-r,0)，声源到达第1传声器的时间为τ₁，声源到达第5传声器的时间为τ₂，声源到达第9传声器的时间为τ₃，声源到达第13传声器的时间为τ₄，则声源到达传声器之间的时间差为τ_ij(i,j＝1,2,3,4)，声速为c，计算声源距阵列中心的距离l：

计算球坐标系下的坐标对应世界坐标系下的坐标(x,y,z)：

根据标定算法计算内参矩阵A：

其中，F为相机焦距，dx为实际像素在横轴方向大小，dy为实际像素在纵轴方向大小，u₀横轴中心像素，v₀纵轴中心像素；

根据标定算法计算相机外参矩阵M：

其中，R_rotate为旋转矩阵，T为平移矩阵，由实际坐标系建立方式获得；

计算世界坐标系下的坐标对应的像素坐标系下的像素坐标(u,v)：

其中，Z_c为相机坐标系下的Z轴坐标，这里Z_c＝z；

以声源的像素坐标为基准，划定搜寻范围u±50,v±50，逆映射到对应的角度，计算该角度下的阵列输出功率，得到相应像素坐标下对应的阵列功率；

读取视觉采集模块采集的照片，对功率谱图透明化处理，相对应像素叠加到视觉照片上，完成声源可视化。