專利名稱：對無論是否相關的噪音源進行探測和定位的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用傳感器對在通常情況下的噪音源進行探測和定位，其中的傳感器適合用于噪音源的特性。
本發明涉及對噪音源進行探測和定位并呈現窄或寬頻帶發射光譜的方法，其中的噪音源位于一、二或三維或彼此可選擇關聯的空間內。
本發明特別指出在對下面領域有最好的應用，即對可選擇地伴有回聲并來自例如車輛、輪船、航空器或武器的噪音源進行定位。
背景技術：
在許多應用場合中，需要能以相對精確的方式對噪音源定位，從而采取措施來抑制該噪音源。在現有技術中，已知有許多解決辦法來對噪音源進行聲學定位。主要公知的解決方法是利用使探測傳感器發出的信號相互關聯的技術。
這些技術具有的缺陷是，對在測量傳感器的環境下出現的干涉噪聲特別敏感。另外，必須考慮的是，這些技術構成了用于在考慮中每個應用場合的特別方法。
在最廣泛應用中的技術包括具有大量傳感器(幾百個)的天線和進行光束形成的大型計算機系統以瞄準給定方向，從而增加了信噪比。該方法不就噪音源數量和它們之間任何可能關聯作出任何預先的假設，這樣導致了求解的丟失。
發明內容
因此，當噪音源數量很小并已知或者估計過高時，就需要一般的對在空間噪音源進行探測和定位的方法。
本發明利用適合于噪音源特性的傳感器，通過提出對噪音源進行探測和定位來尋求滿足這種需要。該方法具有較低的實現成本。
為了達到這個目的，本發明的方法包括
取由傳感器發出的隨時間變化的電信號，由傳感器發出的每個信號si(t)為由噪音源發射信號Sj的和；.對所取的隨時間變化的電信號進行放大和過濾；將所述電信號數字化.用下面公式計算函數ff(n1,...nj,...,nm)=det(<Tk(ω),T1*(ω)>k,1=0toM)det(<Tk(ω),T1*(ω)>k,1=0toM)]]>其中(Tk(ω))i=eJω<nk,ci>c]]><.，.>為標量積；..ci為傳感器重心和傳感器i位置之間的矢量；..nj為在傳感器重心和噪音源確定方向的單位矢量；..T0＝s；以及..c＝聲音速度；以及.相對于j＝1到M的矢量來使函數f最小化，來確定噪音源方向nj。
參照附圖，從下面給出的描述中可知各方面的其他特征，其中附圖示出了作為非限定實例的本發明實施例和實現過程。
圖1為本發明探測方法原理的示意圖。
圖2為本發明方法的詳細特征示意圖。
具體實施例方式
從圖1中可以看出，本發明方法包括對噪音源X1、X2、...、Xj、...、Xm進行定位，其中j在1到M的范圍內進行變化，噪音源分布在空間內，每個噪音源均發射相應的信號Sj，其中j在1到M的范圍內變化。本發明的方法包括利用聲波或振動傳感器Y1、Y2、...、Yi、...、YN對噪音源Xj進行定位，其中i在1到N范圍內變化，每個傳感器發出相應的隨時間變化的電信號s1、s2、...、si、...、sN。
該方法包括取每個傳感器發出的隨時間變化的電信號si(t)和噪音源Xj發出的信號Sj和的代表值。在各種噪音源共同作用的基礎上，在第N個傳感器接收到的信號si(t)表達成如下si(t)=Σj=1MAijSj(t-rijc)]]>其中i＝1到N，而rij為噪音源Xj和傳感器Yj之間的距離，而C為在周圍媒質中聲音的速度。
項Aij表示由于與傳感器敏感系數一起傳播而導致的衰減，表示成如下Aij＝BiC(rij)其中i＝1到N，而j＝1到M，其中Bi為傳感器Yi的敏感系數，而C(rij)為由于在距離rij上傳播導致的衰減。
傳感器Yi與相應的電子單元(未示出)連接，其中電子單元用于對其拾取的信號進行放大并低通濾波。傳感器最好在模數和相位上匹配，從而它們的敏感度一致。這樣，對于i＝1到N，Bi＝G。
最好是，為了方便使用如上所述的傳感器天線，傳感器Yi彼此相對靠近。因此，對于遠處的噪音源，距離rij為距離rj的級數，即傳感器和噪音源Xj重心之間的距離。這樣，只有C(rij)＝C(rj)時，衰減就成為距離rj的函數，其中，i＝1到N以及j＝1到M。
從以上可推導出Aij＝G.C(rj)＝a(rj)其中i＝1到N，以及j＝1到M，以及si(t)=Σj=1Ma(rj)Sj(t-rijc)]]>其中i＝1到N。
由于噪音源Xj的幅度未知，對Sj中的項a(rj)求積分，下面公式可寫成si(t)=Σj=1MSj(t-rijc)]]>其中i＝1到N。
利用傅立葉變換，信號si(t)的表達式變成
其中i＝1到N。
其中 和 分別是s和S的傅立葉變換，而ω為角頻率。
該第一公式(1)把接收到的信號與距離rij，即與噪音源Xj的位置聯系起來。
從圖2中可以看出，可表示出其他與幾何考慮有關的關系，其中所述的幾何考慮使距離rij與單位矢量nj聯系起來，該矢量確定了由傳感器和產生信號Sj的噪音源重心限定的方向。傳感器的位置由來自傳感器Yi位置及其重心位置的矢量Ci來限定。對rij的第一級進一步限制，于是提供(2)rij≈ri-<nj，ci>
其中i＝1到N以及j＝1到M，同時<.，.>為標量積。
這樣，通過把rij用(2)中給出的近似表達式來替換，并對該相位項積分e-Jωrjc]]>該公式只取決于在 量級的噪音源Xj，公式(1)可寫成 其中i＝1到N。
該關系也可表達成矩陣和矢量形式 其中，矢量Tj的第i個坐標為(Tj)i=e-Jω<nj,ci>c]]>其中i＝1到N。
或者實際上(5)si(ω)＝T.S(ω)
其中T＝具有通項的矩陣Tij=e-Jω<nj,ci>c]]>在有添加噪音存在時，公式(4)變成 其中B為取決于ω的噪音矢量。
本發明的方法包括確定由矢量nj限定的噪音源Xj的方向，其中j＝1到M。
當噪音源Xj是任意的時，即為關聯或非關聯的，則在傳感器Yi的高斯噪聲存在的可能性由下面式子給出b.e-a∫|B|2.dω]]>其中a和b為變量。
這樣，根據公式(6)，噪音源最可能的位置為使下面量級最小化的位置 換句話說，s到垂直于矢量Tj產生超平面的方向的投影必須為最小的范數。其中j＝1到M。
這就形成了在矢量s和Tj上建立的平行六面體高度的平方，所述高度H為體積與底面積S的比，即h=VS]]>數值V和S表示成Gramm矩陣行列式的函數，其中元素(k，l)由標量積構成<TK，Tl*>
其中Tl*為是Tl共扼值的標量。
這樣，S2＝det(<TK，Tl*> k，l＝1到M)V2＝det(<TK，Tl*> k，l＝1到M)
其中假定T0＝s。
于是||B||2=V2S2]]>或者實際上f(n1，...，nj，...，nM)＝‖B‖2這是三維矢量nj的函數，該矢量僅僅取決于兩個角度θj和φj，即高度和方位，同時取決于角頻率ω。任何現有的有關噪音源sj光譜知識也可采用。例如.對于窄頻帶噪音源，采用措施來使下面函數f1最小化(7)f1=Σk||B(ωk)||2]]>其中ωK為所關心的角頻率；而.對于寬頻帶噪音源，采取措施來使下面與所關系區段有關的函數f2最小化(8)f2＝∫‖B‖2dω在實際上，不計算‖B‖2，而可采用次一級最佳方法，該方法包括把分母s2用1來替換。接著可以看出，假定對于截然不同的解的方向nj進行研究，該解與通過精確方法得到的那些接近。
當至少兩個噪音源重合時，分母可忽略。該分母用來在當多個方向一致時消除干涉解。
當次一級最佳方法包括寬頻帶處理時，它還包括使下面函數f3最小化(9)f3＝∫det(<TK，Tl*>k，l＝1到M)dω該量級可表達成為信號si和sj的關聯函數rij的線性組合，其中這些信號取自本身也為延遲的線性組合的點<nj,ci>c]]>這些關聯函數除以聲音速度而計算，僅用于延遲，其中該延遲具有與天線尺寸相同的量級。于是，在時域計算比通常在傅立葉變換基礎上在頻域上計算要好。
因此上述方法包括.在包括多個傳感器(兩到十個，最好兩到五個)的天線上拾取聲音或振動信息；.對接收到的信號放大并過濾，從而限制其頻譜并使傳感器在相位和增益上匹配；.對信號數字化；以及.利用下面兩個計算方法a)和b)來使矢量s在垂直于矢Tj方向上的投影最小a)獲取信號si的傅立葉變換；利用上述確定的對于Gramm矩陣行列式的表達式，計算函數f1、f2之一；以及根據要定位噪音源數量來使函數f1、f2之一最小化；b)利用包括使函數f3最小化的簡化算法；計算關聯函數rij；以及根據噪音源數量使關聯函數的線性組合最小化。
一旦最小化工作完成，就確定了噪音源的方向nj。最好是，也可重新得到噪音源Xj的特征。
如果N＝M，即如果有許多傳感器作為噪音源，則系統(5)通常可被顛倒。
如果N≥M，則通過在左邊乘以tT*而推導出平方系統。即通過乘以共扼轉置矩陣T。于是系統(5)就變成tT*.s(ω)＝tT*.T.S(ω)即(10)S(ω)＝(tT*.T)-1.tT*.s(ω)根據公式(10)，可計算出信號sj，從而得出噪音源Xj的特征。
下面描述提供了利用N個傳感器來探測一個噪音源(M＝1)的實現方法。
這就是
即 對于寬頻帶的信號源，就有一個最小化的問題 即把測量的信號之間的關聯關系寫成γkl∫||B(ω)||2dω=1N[(N-1).∫||S(ω)||2dt-Σk,lk≠1γkl(<n,c1-ck>c)]]]>于是通過改變n推導出最小化Σk,lk≠1γkl(<n,c1-ck>c)]]>其中n只取決于NP參數，而NP等于空間負1單位的尺寸。
權利要求
1.一種對噪音源進行探測和定位的方法，其中每個噪音源發射相應的信號Sj，j＝1到M，利用聲波或振動傳感器來進行探測，其中每個傳感器發出相應的隨時間變化的電信號si，i位于1到N的范圍內，該方法包括取由傳感器發出的隨時間變化的電信號，由傳感器發出的每個信號si(t)為由噪音源發射信號Sj的和；對所取的隨時間變化的電信號進行放大和過濾；用下面公式計算函數ff(n1,...nj,...,nm)=det(⟨Tk(ω),T1*(ω)⟩k,1=0toM)det(⟨Tk(ω),T1*(ω)⟩k,1=0toM)]]>其中(Tk(ω))i=eJω⟨nk,ci⟩c]]><.，.>為標量積；ci為傳感器重心和傳感器i位置之間的矢量；nj為在傳感器重心和噪音源確定方向的單位矢量；T0＝s；以及c＝聲音速度；以及相對于j＝1到M的矢量來使函數f最小化，來確定噪音源方向nj。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，為了使在噪音源為窄頻帶源時的函數f最小化，該方法包括對由傳感器發出的信號si(t)進行傅立葉變換；利用通項矩陣的行列式的表達式<Tk(ω)，Tl*(ω)>來計算函數f1=Σk||B(ω)k||2]]>在選擇了確定數量的噪音源后，使函數f1最小化，以確定選擇噪音源的方向nj。
3.根據權利要求1的探測方法，其特征在于，為了使在噪音源為寬頻帶源時的函數f最小化，該方法包括對由傳感器發出的信號si(t)進行傅立葉變換；利用通項矩陣的行列式的表達式<Tk(ω)，Tl*(ω)>來計算函數f2＝∫‖B‖2dω在選擇了噪音源確定的數量后，使函數f1最小化，以確定選擇噪音源的方向nj。
4.根據權利要求1的探測方法，其特征在于，為了使函數f最小化，該方法包括使函數f的表達式簡化，以使下面函數f3最小化f3＝∫det(<TK，Tl*>k，l＝1到M)dω計算信號si和sj相關聯函數γij；以及在選擇了確定數量的噪音源后，使函數f3最小化。
5.根據權利要求1的探測方法，其特征在于，在最小化過程結束后，該方法包括計算噪音源矢量S(ω)＝(tT*.T)-1.tT*.s(ω)從而得出噪音源特征。
全文摘要
本發明涉及對噪音源進行探測和定位的方法，其中每個噪音源發射出相應的電信號S
文檔編號G01H11/06GK1629610SQ20031012129
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月17日 優先權日2003年12月17日
發明者A·頗木易, J·麥爾利特 申請人:麥特瑞勃公司