專利名稱：對不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(Yi)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,...,nN)=Σk≠1Rk1]]>其中系數Rkl為給出噪音源(Xj)方向的矢量nj函數；以及使函數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。
圖3為利用兩個傳感器對兩個噪音源進行定位的方法示意圖。
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]]>當噪音源Xj不相關時，信號sj就從矢量nj的信號sj中求出。然后就使對于i≠j的si和sj之間的互聯函數最小化。
一旦最小化工作完成，在確定了方向nj后。也可重新得到量級sj。
如果N＝M，即如果有與噪音源同樣多的傳感器，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(6)S(ω)＝(tT*.T)-1.tT*.s(ω)利用通過這種方式正式表示的信號 后，噪音源i和j之間的關聯系數Rij就通過下面公式計算出(7)Rij=∫-∞+∞Γij2(τ)dτΓii(0).Γjj(0),i≠j]]>其中Гij也可從頻率量級中計算出，得到 用于最小化的函數于是為(9)f(n1,...nj,...,nN)=Σk≠1Rk1]]>其中系數Rkl為矢量nj的函數。
當信號si、Sj以可比較的幅值被接收時，Rij的分母與量級的級數相同，并接著可被1來替代，同時不損壞最小值的位置。當在可能延遲中變化范圍很小時，計算Гij可最好在時域中進行。
一旦求出了由矢量nj確定的方向，就也能從公式(6)中得到Sj的量級。這種方法能確定噪音源Xj的性質。
下面參照圖3的描述提供了利用兩個傳感器Y1、Y2來對兩個噪音源X1、X2進行探測和定位的實例(N＝2)。
在頻域，用下面公式來表示分別由兩個傳感器Y1、Y2發出的電信號s1、s2和由噪音源X1、X2發射的信號S1、S2和的代表值
其中τij=rijc]]>為由噪音源j發射的信號在到達傳感器j前傳播的延遲。
變化該系統得到 對于延遲τ，在噪音源信號S1和S2之間的交聯(cross-correlation)函數寫成 替換 和 得到Γ12(τ)=∫-∞+∞N(ω)|D(ω)|2dω]]>其中 以及|D(ω)|2=4sin2ω2(τ11+τ22+τ12+τ21)]]>在這種情況下嘗試(但為次一級最佳)的解只包括使分子N最優化。
交聯關系Г12于是近似為Γ12(τ)≈∫-∞+∞N(ω)dω]]>用其數值來替換N(ω)，得到一個表達式，該表達式僅為γij的函數，該函數對應于測量信號si和Sj之間的自動關聯和交互關聯關系Γ12(ω)≅-γ11(τ+τ12-τ22)-γ22(τ+τ11-τ21)+γ12(τ+τ11-τ22)+γ21(τ+τ12-τ21)]]>回顧一下距離rij近似為
rij≈ri-<nj，ci>
這樣，替換在該近似表達式中的rij，并對Sj(ω)中的相位項e-Jωrjc]]>積分，可最終推導出如下的Г12的估計值表達式Γ12≈-γ11(τ-<n2,c1>c+<n2,c2>c)]]>-γ22(τ-<n1,c1>c+<n1,c2>c)]]>+γ12(τ-<n1,c1>c+<n2,c2>c)]]>+γ21(τ-<n2,c1>c+<n1,c2>c)]]>在這里，nj＝(OXi)的單位矢量，其中i＝1，2。
然而<n1,c2>=-D2cosθ1]]><n1,c2>=D2cosθ1]]><n2,c1>=-D2cosθ2]]><n2,c2>=D2cosθ2]]>在這里，傳感器之間的距離用D表示。則Γ12≈-γ11(τ+Dccosθ2)]]>-γ22(τ+Dccosθ1)]]>+γ12(τ+D2c(cosθ1+cosθ2))]]>+γ21(τ+D2c(cosθ1+cosθ2))]]>
相對于(θ1，θ2)進行最小化的函數為R12=∫-∞+∞Γ122(τ)dτ]]>在θ1，θ2之間不確定的符號(sign ambiguity)通過分析含有噪音源的半平面來消除，并假定為已知的現有技術。
由于在不脫離該范圍情況下可進行各自改型，因此本發明并不限于上述描述和圖中示出的實例。
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(Yi)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(Yi)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計算函數f(n1,...nj,...,nN)=Σk≠1Rk1]]>其中系數Rk1為給出噪音源(Xj)方向的矢量nj函數；以及以上述方式使函數f最小化，來確定噪音源(Xj)的方向nj。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于為了使函數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；形式上地計算系數Rij 使函數f最小化，以確定選定的噪音源(Xj)的方向nj。
3.根據權利要求1的探測方法，其特征在于為了使函數f最小化，該方法包括形式上地計算系數RijRij=∫-∞+∞Γij2(τ)dτΓii(0).Γjj(0)]]>在這里，Γij為信號si和Sj之間的交聯函數。
4.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(Xj)的特性。
全文摘要
本發明涉及一種對噪音源(X
文檔編號G01S15/00GK1629655SQ20031012129
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