[发明专利]一种立式储油罐声源定位方法及装置

权利要求书

1.一种立式储油罐声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在储油罐体(3)上纵向设置n个声源(2)，且n≥2，同时，通过麦克风阵列的方式，在储油罐体(3)的外壁上径向等间距的设置有n组传感器(1)，且n≥2；

S2：根据S1，对传统MUSIC算法进行改进，改进MUSIC算法的声源定位分为两个步骤：1)时延估计，用于计算各个阵元与参考阵元之间的时间差，根据时间差构建方向矩阵；2)声源信号的DOA估计，首先利用阵列的方向矩阵与参考阵元输出信号求得各阵元对应的矢量信号，并以此构建阵列的协方差矩阵，再划分信号子空间与噪声子空间得出谱函数，最后求得DOA估计值；

S3：根据S2中的时延估计和DOA估计值，估计声源(2)的方向。

2.根据权利要求1所述的一种立式储油罐声源定位方法，其特征在于：所述S1中的每组传感器(1)的个数为八个，且八个传感器(1)呈环形等间距结构分布在储油罐体(3)的外壁上。

3.根据权利要求1所述的一种立式储油罐声源定位方法，其特征在于：所述S2中的时延估计是通过广义互相关方法求延时，广义互相关法是通过求两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权来抑制噪声和反射的影响，再反变换到时域，从而得到两个信号之间的互相关函数，该互相关函数的峰值位置为两个信号之间的相对时迟；

假设麦克风接收的信号表达式如下：

x₁(n)＝a₁S(n-τ₁)+w₁(n) (11)

x₂(n)＝a₂S(n-τ₂)+w₂(n) (12)

式中：α₁、α₂为声波从声源到麦克风之间的传播衰减系数，取值范围为0～1；S(n)表示声源信号；S(n-τ)表示理想状态下声源信号；τ₁、τ₂分别代表声源与麦克风1(参考阵元)和麦克风2(圆周上任意一个麦克风)之间的传播时间；w₁(n)、w₂(n)分别代表麦克风1和2接收信号中的高斯白噪声，且声源信号S(n)与噪声信号w₁(n)、w₂(n)两者之间互不相关；

利用阵列麦克风1和2的接收信号间互相关函数求广义互相关函数，则两路信号间延时位于互相关函数峰值处[20]。首先使用FIR带通滤波器滤除噪声信号，互相关函数如下：

R₁₂(τ)＝E{x₁(n)x₂(n-τ)} (13)

将式(11)和(12)代入式(13)得：

R₁₂(τ)＝a₁a₂E{S(n-τ₁)S(n-τ₂-τ)}+a₁E{S(n-τ₁)w₂(n-τ)}+a₂E{S(n-τ₂-τ)w₁(n)}+E{ω₁(n)w₂(n-τ)} (14)

式中：w₁(n)、w₂(n)是互不相关的噪声信号，且S(n)与w₁(n)、w₂(n)也互不相关；因此可将式(14)化简如下：

R₁₂(τ)＝a₁a₂E{S(n-τ₁)S(n-τ₂-τ)}＝a₁a₂R_s(τ-(τ₁-τ₂)) (15)

利用麦克风1和2的互相关函数可以确定当τ＝τ₁-τ₂时，R₁₂(τ)达到最大值，因此，R₁₂(τ)的峰值处对应的τ值即为两个麦克风之间的时迟；在短时间内的信号处理中，R₁₂(τ)的峰值可能不够突出，导致所求麦克风之间时迟τ值的精度下降；因此可用对滤波之后的信号进行加权处理来防止噪声信号以及混响等不利因素影响；对χ₁(t)和χ₂(t)进行快速傅里叶变换(FFT)可得X₁(ω)和X₂(ω)，则两路输入信号广义互相关函数为：

R₁₂(τ)＝∫^+∞_-∞ψ₁₂(ω)X₁(ω)x₂^*(ω)e^jωτdω (16)

式中：ψ₁₂(ω)是广义互相关加权函数；X₂^*(ω)为麦克风2接收的声源信号FFT变换的共车；选择不同的加权函数可得到不同的延时算法。