[发明专利]一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法

说明书

本发明公开了一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，将立体相机拾取的环境深度图像导入计算机；在计算机中将得到的环境深度图像通过图像分割技术将被测的运行机构从运行环境中提取出来，获得运行机构深度图像；通过空间匹配将运行机构深度图像转化为声阵列空间坐标系下的空间三维点云，将这些点作为波束形成的声压重建点，并在这些点上重建运行机构表面的声场，将最大声场输出所对应的声压重建点作为声源的三维定位结果。本发明通过引入立体视觉技术可以获得运行机构的三维表面，并结合波束形成实现在该面上进行声场重建，使得本发明无需对声源所在深度进行测量或假设。

技术领域

本发明涉及一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，属于机械设备状态监测及故障诊断技术领域。

背景技术

在日常生活和工业机械系统的运行环境降噪过程中，声源定位起到重要的作用。而准确的识别生产生活中的声源是对其进行故障诊断、降噪的前提。声源定位技术主要的研究是确定被接收信号源处于接收传感器的相对方向和距离，即方向估计和距离估计。目前，定位声源位置最常用的就是基于传声器阵列来定位声源位置。

基于声阵列的波束形成方法已是主流的几种声源识别方法之一，可识别中、远场和瞬态的声源，已经成为飞机分析噪声源的标准工具，同时在火车、汽车等机械结构中得到了广泛的应用。

波束形成方法定位时，通常需要对声源所在深度进行测量或假设，然后在该深度上设置一个包含声源的矩形平面(重构面)上进行网格化，将各网格点作为声场重建点进行计算，重建该平面内的声场并输出声成像图，在声成像图上最大输出为声源的定位坐标。重构面深度和声源深度是相同的，深度定位结果是不精确的。

目前，在无法对声源深度进行测量的情况下，波束形成在定位声源的三维信息时，仅有通过不断迭代假设深度，寻求最佳的声场重建深度，并将此深度作为三维定位中深度方向的结果，如图1。每次迭代都需要重构一次声场，存在巨大的计算量，严重影响声源的定位效率。

发明内容

本发明提供了一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，可以有效地用于移动声源的三维定位。

本发明的技术方案是：一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，首先把传声器阵列和立体相机安置在需要监测的运行机构的一侧，通过直流稳压电源同时触发传声器阵列、立体相机；相机每次曝光期间，通过传声器阵列拾取机构运行时声压频谱信号，并同步通过立体相机内置的立体视觉算法拾取对应的环境深度图像；将立体相机拾取的环境深度图像导入计算机；在计算机中将得到的环境深度图像通过图像分割技术将被测的运行机构从运行环境中提取出来，获得运行机构深度图像；通过空间匹配将运行机构深度图像转化为声阵列空间坐标系下的空间三维点云，将这些点作为波束形成的声压重建点，并在这些点上重建运行机构表面的声场，将最大声场输出所对应的声压重建点作为声源的三维定位结果。

所述方法具体步骤如下：

S1、首先把传声器阵列和立体相机安置在需要监测的运行机构的一侧，通过直流稳压电源同时触发传声器阵列、立体相机；其中，传声器阵列为M个传声器组成的阵列，传声器m在声阵列空间坐标系中的空间坐标为(x_m,y_m,z_m)，选择1号传声器为参考通道；

S2、相机每次曝光期间，通过传声器阵列拾取机构运行时声压频谱信号P_m(ω)，并同步通过立体相机内置的立体视觉算法拾取对应的环境深度图像；其中m＝1,2,3…,M，P_m(ω)为第m个传声器采集到的声压频谱信号；

S3、将立体相机拾取的环境深度图像导入计算机；在计算机中将得到的环境深度图像通过图像分割技术将被测的运行机构从运行环境中提取出来，获得运行机构深度图像；