本發(fā)明涉及測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域,具體是一種高壓水射流靶物探測(cè)識(shí)別技術(shù)。
背景技術(shù):
當(dāng)高壓水射流在非切割的工況下沖擊物體時(shí),會(huì)產(chǎn)生反射聲音信號(hào),不同材質(zhì)的物體產(chǎn)生的反射聲信號(hào)不同。因此,利用高壓水射流結(jié)合聲音信號(hào)的采集與處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)靶物(如地雷等)的識(shí)別和定位。
目前國(guó)內(nèi)外基于傳聲器陣列的聲源定位技術(shù)主要有三種方法:基于波束形成的方法、基于高分辨率譜估計(jì)的方法、基于到達(dá)時(shí)間差的方法(TDOA)。其中基于波束形成的定位方法存在需要聲源和環(huán)境噪聲的先驗(yàn)知識(shí)、對(duì)初始點(diǎn)的選取相當(dāng)敏感、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn),因此不適合被用在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中?;诟叻直媛首V估計(jì)的定位方法要求估計(jì)參數(shù)固定不變、信號(hào)是平穩(wěn)過程、受聲音混響作用影響,因此也無法用于實(shí)際定位。
基于到達(dá)時(shí)間差的定位方法計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前兩種,且定位精度相對(duì)較高,不受陣列結(jié)構(gòu)的限制,因此本發(fā)明利用該方法作為高壓水射流靶物定位算法。目前常用的傳聲器陣列是直線型傳聲器陣列和圓弧形傳聲器陣列,兩種傳聲器陣列各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了擴(kuò)大探測(cè)面積和提高探測(cè)效率,本發(fā)明采用線性射流陣列進(jìn)行探測(cè),利用傳聲器陣列實(shí)現(xiàn)射流反射聲的實(shí)時(shí)采集。為了實(shí)現(xiàn)靶物的精確識(shí)別定位,可以采用基于傳聲器陣列的聲源定位方法加以實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷,提供一種高壓水射流靶物識(shí)別傳聲器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種高壓水射流靶物識(shí)別傳聲器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,本發(fā)明利用圓弧形傳聲器陣列進(jìn)行靶物探測(cè)定位,介紹了基于到達(dá)時(shí)間差的聲源定位原理的圓弧形傳聲器陣列的探測(cè)定位原理。利用YG-201型傳聲器陣列搭建了仿真實(shí)驗(yàn)裝置,利用LabVIEW和Matlab軟件編制了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理軟件,進(jìn)行了圓弧形傳聲器陣列探測(cè)定位精度對(duì)和陣列參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,圓弧型傳聲器陣列對(duì)高壓水射流靶物的定位精度(9.03mm)遠(yuǎn)高于直線型傳聲器的定位精度(88.89mm),各傳聲器相鄰最佳距離為200mm,對(duì)應(yīng)的最佳圓周角為30°。
本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明提高了高壓水射流靶物探測(cè)中的靶物定位精度。
附圖說明
圖1為本發(fā)明傳聲器陣列示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1所示,一種高壓水射流靶物識(shí)別傳聲器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,弧型傳聲器陣列中傳聲器均勻在分布在一個(gè)圓弧上,由三個(gè)傳聲器均勻分布在圓弧O、A、B三點(diǎn)上,中間的傳聲器作為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn),兩邊均勻分布等數(shù)量的傳聲器。
其中P為聲源的位置,∠BOx為α,為兩個(gè)相鄰傳聲器連線與x軸正半軸的夾角,α取不同的值表示不同直徑的圓弧?!螾Ox為θ,即聲源、中間傳聲器連線與x軸正半軸的夾角。m為兩個(gè)相鄰傳聲器的距離,m和α為傳聲器陣列的參數(shù)。R為聲源與中間傳感器的距離,求出R和θ的值可得出聲源在坐標(biāo)系中的位置。根據(jù)幾何關(guān)系可得出下列關(guān)系式:
其中,m------兩側(cè)傳聲器距中間傳聲器的距離;
τ1-------右邊傳聲器與中間傳聲器的時(shí)間差;
τ-1-------左邊傳聲器與中間傳聲器的時(shí)間差。
由上述兩種傳聲器陣列定位原理可知,計(jì)算出聲源到每個(gè)傳聲器的時(shí)間延遲,可以根據(jù)時(shí)延估計(jì)法可得出聲源的位置,因此準(zhǔn)確計(jì)算出每個(gè)傳聲器之間的時(shí)間差對(duì)于精確估計(jì)生源位置非常重要。
廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法(GCC)是一種經(jīng)典的時(shí)延估計(jì)方法。它是通過建立兩個(gè)傳聲器接收到的信號(hào)間的互相關(guān)函數(shù),取其峰值位置來獲得時(shí)延估計(jì)[8]。兩個(gè)傳聲器接收到的信號(hào)間的互相關(guān)函數(shù)R0i(τ)可表示如下:
R0i(τ)=E[x0(t)xi(t-τ)]
式中E(·)表示數(shù)學(xué)期望,x0(t)和xi(t-τ)分別表示標(biāo)號(hào)為0和i的傳感器在t時(shí)刻采集到的靶物反射聲信號(hào),τ為兩信號(hào)間的時(shí)延。
由于不同靶物對(duì)應(yīng)的高壓水射流反射聲不同,因此可以對(duì)每個(gè)傳聲器采集的信號(hào)進(jìn)行處理,提取反映靶物的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算,進(jìn)而計(jì)算出公式中的τ,即可得到某種靶物反射聲傳遞至兩個(gè)傳聲器之間的時(shí)間差,進(jìn)而判斷出聲源(靶物)的位置。
本發(fā)明采用YG-201型傳聲器陣列,結(jié)合NI公司的LabVIEW軟件和USB6229采集卡,搭建高壓水射流靶物反射聲數(shù)據(jù)采集與靶物定位仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),由傳聲器陣列、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理器和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集與處理軟件采用LabVIEW和Matlab語(yǔ)言進(jìn)行編程,進(jìn)行聲源的定位仿真實(shí)驗(yàn)。由于高壓水射流噴嘴陣列在進(jìn)一步改進(jìn)完善中,本文采用擺放能夠敲擊發(fā)出聲音的物體模擬高壓水射流所探測(cè)的靶物,利用敲擊物體產(chǎn)生的聲音模擬靶物反射聲,擺放在傳聲器陣列對(duì)面不同位置進(jìn)行靶物模擬仿真定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí),改變圓弧形傳聲器陣列的相應(yīng)參數(shù),組建不同尺寸的傳聲器陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)高壓水射流靶物反射聲的頻率范圍,本實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)采樣頻率為50KHz。
上述傳聲器陣列采集的信號(hào)處理和靶物定位程序利用LabVIEW進(jìn)行編制,其中兩傳聲器之間的時(shí)間差利用提取出計(jì)算得到的互相關(guān)函數(shù)信號(hào)最大值處的索引得到,進(jìn)而可以根據(jù)公式(1)-(4),分別計(jì)算得到靶物(聲源)在兩種傳聲器陣列和探測(cè)坐標(biāo)系中的位置。
利用圓弧型傳聲器陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),也適利用三個(gè)傳聲器組成傳聲器陣列。相鄰傳聲器的間距分別取150mm、200mm、250mm、300mm,對(duì)應(yīng)的圓周角分別取30°、45°、60°,組成12組不同的圓弧型傳聲器陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用數(shù)據(jù)處理軟件處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。