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面向HBT干涉定位的直線式傳感陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2020-06-13 11:48:20劉夢(mèng)然李善強(qiáng)
科學(xué)技術(shù)與工程 2020年13期
關(guān)鍵詞:聲場(chǎng)聲源傳感

劉夢(mèng)然,李善強(qiáng),賈 雯,聶 磊

(湖北工業(yè)大學(xué)湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430068)

聲學(xué)定位技術(shù)是聲學(xué)、電學(xué)、信號(hào)處理等多門交叉學(xué)科的集成應(yīng)用,廣泛應(yīng)用于軍事、生活、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。目前,聲學(xué)定位技術(shù)主要通過(guò)聲傳感器來(lái)獲取聲源信號(hào),對(duì)采集的聲源信號(hào)進(jìn)行處理,從而確定聲源的位置。聲學(xué)定位的方法可以歸納為以下三類:基于到達(dá)時(shí)差法[1]、可控波束形成定位法[2-3]、基于聲壓幅度比定位法[4]。相比后面兩類定位方法, 基于到達(dá)時(shí)差法的定位技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較為廣泛[5]。特別對(duì)于到達(dá)時(shí)差法,可基于光場(chǎng)HBT(Hanbury Brown and Twiss)干涉原理進(jìn)行聲場(chǎng)干涉目標(biāo)定位,這種方法考察了信號(hào)之間的相關(guān)性,可排除無(wú)內(nèi)稟相干性的干擾信號(hào),因此能夠?qū)崿F(xiàn)在低信噪比情況下低頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確定位[6]。

經(jīng)典的聲傳感器定位陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有直線陣、十字陣、圓形陣和L型陣等結(jié)構(gòu)。從幾何上看,這些經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以看作直線陣列的延伸,而且直線陣具有加工簡(jiǎn)單、收放便利的優(yōu)點(diǎn),非常適合于各種載具的實(shí)際應(yīng)用,因此直線陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究具有非常重要的意義?,F(xiàn)今眾多學(xué)者針對(duì)定位傳感陣列冗余問(wèn)題開(kāi)展了陣列優(yōu)化研究[7-13]。

基于聲場(chǎng)HBT干涉定位方法,設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化算法,以對(duì)聲源的定位誤差范圍在1%以內(nèi)為目標(biāo),對(duì)八元直線傳感陣列進(jìn)行了拓?fù)浞抡鎯?yōu)化;通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè),篩選出了滿足實(shí)際應(yīng)用的直線陣列。

1 聲場(chǎng)HBT干涉定位原理

聲場(chǎng)HBT干涉理論來(lái)源于光場(chǎng)HBT干涉[14-15],光的HBT干涉現(xiàn)象是由Hanbury Brown和Twiss在1956年提出的,測(cè)量恒星角直徑的光強(qiáng)干涉儀即基于該原理設(shè)計(jì)而來(lái)。

實(shí)驗(yàn)室可見(jiàn)光波段的HBT實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 可見(jiàn)光波段HBT實(shí)驗(yàn)原理圖

He-Ne激光器發(fā)出激光經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的毛玻璃,使其激光等效于一個(gè)空間波矢方向隨機(jī)分布的熱光源。通過(guò)一個(gè)雙縫的光用一個(gè)50:50的分光鏡分成垂直的兩束光,用兩個(gè)光電探測(cè)器采集光信號(hào)并進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量。如若將D1探測(cè)器固定,然后對(duì)D2探測(cè)器進(jìn)行橫向掃描,從而通過(guò)數(shù)字示波器得到兩個(gè)探測(cè)器光強(qiáng)值的強(qiáng)度歸一化相關(guān)函數(shù)。

假設(shè)空間內(nèi)以一個(gè)聲源S作為坐標(biāo)原點(diǎn),同平面坐標(biāo)系內(nèi)存在聲學(xué)傳感器A和B,分別位于距離聲源S半徑為r1和r2處,傳感器A和B接收聲源發(fā)出的聲波,接收信號(hào)分別為Q1(r1,t1)以及Q2(r2,t2),如圖2所示。

圖2 聲場(chǎng)HBT干涉實(shí)驗(yàn)示意圖

根據(jù)光場(chǎng)中可見(jiàn)光波段實(shí)驗(yàn)的相干光計(jì)算,將光學(xué)二階相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法引入到聲學(xué)定位,可以得到任意兩個(gè)傳感器之間的相關(guān)函數(shù)G:

(1)

(2)

對(duì)8個(gè)傳感器從左至右進(jìn)行1~8排序,則八元傳感陣列的相關(guān)函數(shù)為

G=G12G13G14…Gij…G78

(3)

式(3)中:Gij表示第i個(gè)傳感器與第j個(gè)傳感器的相關(guān)函數(shù)。

根據(jù)光場(chǎng)干涉特性,當(dāng)頻率、相位相同時(shí),兩束光發(fā)生干涉,即出現(xiàn)明暗相間的條紋變化情況,且零級(jí)條紋光強(qiáng)最大。同理,同一個(gè)聲源發(fā)出一列聲波信號(hào),傳感器A與傳感器B接收信號(hào)的相對(duì)時(shí)間差為0時(shí),信號(hào)的相干性最強(qiáng),即兩個(gè)傳感器相關(guān)函數(shù)最大。因此,可以得出,使式(3)中G達(dá)到最大的坐標(biāo)點(diǎn)位置,即為聲源位置。

2 陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與仿真分析

建立直角坐標(biāo)系,8個(gè)傳感器分別等距離放置在X軸上,組成直線陣列,如圖3所示。假設(shè)聲源位置放置(5 m,20 m),運(yùn)用MATLAB軟件,通過(guò)直線陣列進(jìn)行聲源定位仿真模擬,通過(guò)掃描得到該掃描區(qū)域內(nèi)所有相關(guān)函數(shù),其中相關(guān)函數(shù)值最大的點(diǎn)即為聲源坐標(biāo),如圖4所示的八元陣列聲源定位效果圖,定位結(jié)果為(5 m,20 m),與所設(shè)置聲源坐標(biāo)一致。

圖3 八元直線傳感陣列

圖4 八元陣列仿真定位結(jié)果圖

根據(jù)本文所提出的以下優(yōu)化算法對(duì)八元傳感直線陣列進(jìn)行優(yōu)化,具體優(yōu)化步驟如下:

(1)確立參數(shù)集。首先,采用二進(jìn)制規(guī)則對(duì)陣元的存在狀態(tài)進(jìn)行編碼,存在傳感器為1,不存在傳感器為0,例如10101000表示一、三、五這3個(gè)位置放置傳感器。其次,根據(jù)聲場(chǎng)HBT干涉定位原理,其至少需要3個(gè)傳感器才能實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的定位,則以傳感器個(gè)數(shù)的不同在參數(shù),建立傳感器個(gè)數(shù)為3~7的5個(gè)優(yōu)化陣列參數(shù)集。例如傳感器存在個(gè)數(shù)為3的陣列如11100000、11010000、11001000等,放入第一個(gè)參數(shù)集。

(2)輸出模型的確定。根據(jù)聲場(chǎng)HBT干涉理論,以式(3)為目標(biāo)輸出模型,并計(jì)算其定位誤差。

(3)停止條件確立。以傳感器存在個(gè)數(shù)為3的參數(shù)集開(kāi)始,依次對(duì)5個(gè)參數(shù)集進(jìn)行仿真,得到每個(gè)陣列對(duì)應(yīng)所定位出來(lái)的聲源坐標(biāo)。以陣列的定位誤差在1%以內(nèi)作為傳統(tǒng)終止條件,當(dāng)停止條件出現(xiàn)時(shí),還需完成該參數(shù)集內(nèi)剩下陣列的定位仿真。

(4)選出最優(yōu)陣列。在滿足陣列的定位誤差在1%以內(nèi)的參數(shù)集中進(jìn)行篩選,選擇出最優(yōu)陣列。

(5)對(duì)最優(yōu)陣列進(jìn)行下一步驗(yàn)證,繪制出坐標(biāo)與相關(guān)函數(shù)的仿真圖像,觀測(cè)其特征參數(shù)。

上述優(yōu)化基本思想的具體流程如圖5所示。

圖5 陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真,得到5種最優(yōu)陣列分別為01100110、10100101、10101010、11000011、11001100,定位誤差均為0.97%。其每種優(yōu)化陣列對(duì)聲源定位的三維仿真圖如圖6所示。

由以上仿真結(jié)果可以看出,優(yōu)化后的5種四元傳感陣列均可在減少傳感器個(gè)數(shù)的前提下,滿足定位誤差在1%以內(nèi)的定位效果。

圖6 最優(yōu)陣列仿真定位三維圖

3 陣列優(yōu)化的測(cè)試實(shí)驗(yàn)及分析

對(duì)以上聲源定位仿真得到的優(yōu)化陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在實(shí)際測(cè)試中,八元直線陣列的聲傳感器以及聲源擺放位置如圖7所示,其中聲源真實(shí)坐標(biāo)為(5 m,20 m),采用八元直線陣列傳感器所實(shí)現(xiàn)的定位效果如圖8所示。從圖8中可以得到定位的聲源位置在(5 m,20.2 m),其定位誤差為0.97%。

圖7 聲源定位實(shí)驗(yàn)圖

圖8 八元直線陣列定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn),然后分別提取陣列01100110、10100101、10101010、11000011、11001100相對(duì)應(yīng)傳感器的輸出數(shù)據(jù),得到聲源定位結(jié)果如表1所示。選取定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算均值相一致的數(shù)據(jù),繪制陣列聲源定位圖如圖9所示。

通過(guò)仿真與試驗(yàn)的研究可以得到以下結(jié)果。

(1)定位實(shí)驗(yàn)中只有01100110與10101010這兩種四元陣列定位誤差小于1%,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

(2)由于仿真的時(shí)候噪聲設(shè)置為白噪聲,并不能完全模擬真實(shí)噪聲,因此,在實(shí)驗(yàn)的仿真得到5個(gè)四元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)后只有2個(gè)滿足要求。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 最優(yōu)陣列實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果

圖10 最優(yōu)陣列結(jié)構(gòu)示意圖

(3)掃描步長(zhǎng)為0.2 m,所以誤差皆為0.2的倍數(shù),可以通過(guò)減小掃描步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)一步提高定位精度。

(4)下一步將進(jìn)行定位誤差分析,尋找影響定位的各個(gè)誤差源,分析誤差服從的分布規(guī)律,得出定位的測(cè)量不確定度。

4 結(jié)論

為消除聲源定位直線陣列中的冗余陣元,精簡(jiǎn)陣列結(jié)構(gòu)而不影響定位精度,開(kāi)展了基于HBT干涉定位的直線陣列優(yōu)化研究?;贖BT干涉定位原理建立仿真定位模型,對(duì)陣列進(jìn)行編碼優(yōu)化仿真,得到聲學(xué)定位性能最優(yōu)的5個(gè)直線傳感陣列。并通過(guò)定位實(shí)驗(yàn)對(duì)所得四元優(yōu)化陣列進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明有2個(gè)四元直線陣列的定位結(jié)果在設(shè)定誤差范圍內(nèi),基本達(dá)到與八元直線陣列一致的定位性能。研究結(jié)果將有效減小定位系統(tǒng)體積、優(yōu)化陣列結(jié)構(gòu)和提高定位效率。

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