低阶扭转模态电磁声阵列传感器研制及其在厚壁小径管中的试验研究

管道检测是发电厂热力设备安全的重要问题,由于高温以及检测区域的限制,常规无损检测方法很难满足电站管道检测要求。低阶扭转T(0,1)模态导波,由于其非频散特性,对管道缺陷大范围检测十分有效。为在管道中实现非接触激励T(0,1)模态,设计并研制了一种电磁声阵列传感器。利用所研制的电磁声阵列传感器,实现了厚壁小径管中T(0,1)模态激励和接收。通过优化电磁声阵列传感器各元件间不同连接方式可知,当各元件并联连接时,不仅提高了所激励信号的能量,还抑制了其它模态产生。同时测试了电磁声阵列传感器的频率特性,并对有周向人工缺陷的样管进行检测。试验结果表明,该电磁声阵列传感器可以实现对样管中周向缺陷的检测与准确定位,为在管道中激励接收T(0,1)模态并实现非接触检测缺陷奠定了基础。

非均匀噪声下基于稀疏重构的声矢量传感器阵列方位估计方法

为解决非均匀噪声情况下声矢量传感器阵列方位估计性能恶化的问题。提出基于加权最小二乘(weighted least squares,WLS)的稀疏信号重构法和基于加权协方差矩阵拟合(weighted covariance matrix fitting,WCMF)的稀疏信号重构法。定义一个虚拟的声矢量传感器阵列流形矩阵,并重构包含稀疏信号功率和噪声功率的协方差矩阵。为估计稀疏信号功率和每个通道输出的噪声功率,基于WLS法和稀疏信号加权最小化法,构造了关于稀疏信号功率和噪声功率的代价函数。在此基础上,为了进一步提高稀疏信号功率和噪声功率的估计精度,基于WCMF准则对构造的代价函数进行改进。应用泰勒级数展开式将关于稀疏信号功率和噪声功率的非线性代价函数转化为线性函数,并采用循环迭代算法估计稀疏信号功率和噪声功率,待迭代终止时,对稀疏信号功率谱峰搜索,即可实现对目标的方位估计。仿真结果表明,与现有非均匀噪声下的估计方法相比,所提方法提高了非均匀噪声情况下声矢量传感器阵列的方位估计精度。

基于任意声矢量传感器阵列的角度和频率估计算法

提出了一种基于任意声矢量传感器阵列下联合角度和频率估计新方法。将矢量传感器阵输出的信号进行建模分析表明此信号具有平行因子四线性模型特征。利用四线性分解的唯一性条件,从分解得到的矩阵中联合估计出声源的参数。该算法首先应用平行因子四线性分解算法估计出频率矩阵和方位矩阵,然后根据频率矩阵和方位矩阵的结构特点及最小二乘方法进行声源参数的计算。该方法与传统算法相比,无需多维谱峰搜索及参数配对,并具有更高的估计精度,在工程上有一定的应用价值。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

无线传感器网络中四元无线声阵列节点选择及目标定位算法

低成本、小型化的无线声传感器网络（WASN）的每个节点只配备一个麦克风而非麦克风阵列,针对随机抛撒的WASN区域外声源目标定位问题,依据声压衰减模型和几何定位机制,提出了四节点无线声阵列声源定位算法。在此基础上分析了声音衰减系数和阵列形状对定位精度的影响,进而选择以Y型阵列作为感知模型,当Y型阵列的中轴线与目标声源的夹角为60°~100°时,定位误差小于1 m.依据仿真结果提出节点选择算法并进行了Y型阵列目标定位实验,结果表明,Y型无线声传感器阵列满足对无线传感器网络（WSN）抛撒区域外50 m处目标的预警需求。

基于声矢量传感器阵列的空速估计算法

研究了一种新型的空速测量方法。通过引入大气声学中的有效声速概念,建立了稳定气流作用下声矢量传感器阵列的近场输出模型,模型的阵列流形矢量中包含了待估计的空速信息。在此基础上提出了一种基于多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)的空速估计(airspeed estimation,ASE)算法,该算法可用于对空速的高精度估计。为了降低计算复杂度,进一步提出了一种快速的空速估计(fast airspeed estimation,FASE)算法,该算法虽然在ASE的精度上不如MUSIC-ASE算法,但无需谱搜索,具有更强的实时性。最后,对算法的估计性能进行分析,推导了ASE的克拉美-罗界表达式。仿真实验验证了算法的有效性。

基于声传感器阵列的机器人语音定向技术研究

将声源定向技术应用于机器人平台,使其对语音信号具有感知定向能力。对语音定向技术的3个阶段进行仿真,首先进行语音端点检测,然后解算2只声传感器间的时间延迟,最后结合声传感器阵列的空间几何结构分析定向误差。仿真结果表明:算法简单有效,能有效减少系统计算量,具备一定抗噪声和混响能力,满足系统定向精度的要求,对工程实现有一定指导意义。

声矢量传感器阵列的实值Root-MUSIC算法

为提高矢量传感器阵列的波达方向(DOA)估计精度和减少运算量,提出了基于矢量传感器阵列的实值化求根MUSIC算法。该算法计算量远远小于矢量传感器阵列的MUSIC算法和RootMUSIC算法。通过阵列信号的空间谱,选择合适的引导方位向量。对阵列协方差矩阵进行实值化重构与特征分解,构造蕴含信号源方位信息的多项式,再将阵列的DOA估计转化为多项式的求根问题。仿真实验与相同阵列孔径的声压传感器阵列的对比实验表明,该算法在低信噪比、小快拍数情况下具有更好的估计性能。通过湖试试验验证了该算法具有较强的工程实用性。

一种用于管道地面标记的阵列式MEMS矢量声传感器仿真研究

针对目前对管道内检测器标记难和测量精度差的现状,提出了一种新型单片集成阵列式矢量声传感器。克服了现有矢量声传感器在油气管道内检测器方位估计中判断信号方位的不足,消除了左右舷模糊的问题。通过用ANSYS软件对阵列式矢量声传感器结构进行仿真,得出该阵列式矢量声传感器的灵敏度为2.05 mV/Pa,一阶模态为438 Hz,固有频率为438 Hz。最后根据分析得出阵列式矢量声传感器在管道内检测器方位估计中的定位角度公式。

用于检测VOC蒸汽的声表面波传感器阵列

研究了用于检测挥发性有机化合物(VOC)蒸汽的声表面波传感器阵列。阵列结构应紧凑布局,以缩短响应时间。开环检测声表面波振荡环路S21参数,以降低设计难度。使用参考环路以精确读取传感器的输出信号。使用气喷工艺制备敏感膜以改善成膜质量。该传感器阵列对VOC蒸汽具有较高的灵敏度和较强的分辨能力。

基于人工鱼群算法的声矢量传感器阵列的最大似然DOA估计

在阵列信号处理中,极大似然法(ML)对波达方向(DOA)估计有很好的性能,但由于多维非线性搜索的计算复杂,很难应用于工程中。为了降低ML方法的计算复杂度,提出了一种改进人工鱼群算法(AFSA)的声矢量传感器阵列的ML-DOA估计方法。仿真结果表明,与基于遗传算法(GA)、粒子群优化算法(PSO)和微分进化算法(DE)的ML-DOA估计相比,该算法具有更快的收敛速度、更低的RMSE、更低的计算复杂度和更稳定的性能。

阵列声表面波传感器中频率信号的多道自动采集

介绍一种多路频率信号自动采集电路，由具有多路模拟开关的信号调理电路和频率采集接口板构成．频率采集接口板由商品化的可编程定时／计数和数字量输入输出板改造而成．具有价格低廉，使用方便等优点，可满足实验要求．

分布式声传感器阵列校准方法综述

分布式声传感器阵列在军事侦察、公共安全监控和人机交互等领域应用广泛.但时钟异步、频率响应失配和节点位置未知问题严重影响后续基于分布式声传感器阵列的语音处理算法的性能,因此近年来学者们热衷于研究校准这三类阵列失配问题的方法.首先,本文介绍了导致分布式声传感器网络各类失配问题的原因和三类问题解决的先后顺序.然后,将现有的解决三类问题的方法进行了综述.其中,时钟同步方法主要包括基于时间戳交换和短时傅里叶变换域线性相位漂移的方法,频率响应校准方法主要包括基于声源导向矢量和自适应滤波器的方法,节点位置/位姿校准方法则主要包括基于节点间几何构型和深度学习的方法.最后,给出了本领域未来研究的方向.

基于声传感器线性阵列的气流速度估计算法

研究了一种基于声传感器线性阵列的新型气流速度测量方法。通过引入大气声学中的有效声速概念,建立了稳定气流作用下各阵元的接收模型,由此建立了声传感器线性阵列的近场输出模型。根据子空间正交原理,提出了一种基于多重信号分类(MUSIC)的气流速度估计(MUSIC—AVE)算法,此算法可实现对气流速度的高精度估计。为了降低计算复杂度,进一步提出了一种快速的气流速度估计(FAVE)算法,此算法虽然在估计精度上不如MUSIC—AVE算法,但无需谱搜索,具有更强的实时性。推导了气流速度估计的克拉美—罗界(CRB)表达式。仿真实验验证了提出算法的有效性。

多声测传感器阵列高维角度坐标自适应标定方法

声音传感器阵列实现定位与跟踪之前必须准确标定阵列的方位,提出了一种基于已知声源点坐标的最优估计方法。该方法包括建立了标定值与噪声环境下观测角度的模型关系;采用最大似然方法确定了代价函数;针对高维未知量求解问题,使用粒子群优化方法得到高精度参数估计值,实现了非手动非专业设备辅助的自学习标定。经过实际数据测试与仿真分析,不同噪声环境下系统可实现稳定收敛与准确标定,可扩展为更多阵列同时标定,时间代价低,有效且便利地解决了实际问题。

声矢量传感器阵中基于PASTd的二维DOA跟踪算法

通过研究声矢量传感器阵列中高效的运动目标到达角(DOA)跟踪算法,提出一种声矢量传感器阵列中基于紧缩投影近似子空间跟踪(PASTd)的DOA跟踪方法。该方法利用PASTd算法进行声矢量传感器任意阵的DOA跟踪,其快速收敛的特点可以降低运算复杂度。同时,其角度跟踪的均方根误差(RMSE)性能优于常用的PAST算法。仿真结果验证了该算法的有效性。

基于声传感器的目标定位系统设计

声传感器阵列声源定位在车载导航、人机接口、声音检测设备、移动机器人、助听器等许多领域有广泛的应用价值。文章介绍基于时延算法的声传感器阵列定位设计。重点分析了基于时延估计的声源定位方法。

闭口风洞声学测量中的阵列设计

为了在已经建好的闭口风洞中进行基于声传感器阵列的声学测量,且获得最佳成像结果,需要按照壁面预留开口进行阵列的最优化设计,针对常见声源及风洞壁面已有开口提出了不同口径相配合、椭圆形和"窗口"型三种阵列布局方法,基本满足了各种壁面开口的需求,解决了规则形阵列设计与风洞预留开口不匹配、阵列性能无法达到最佳、甚至阵列无法使用等问题。通过特殊阵列设计以及成像结果对比,得出了影响波束形成的一般因素及阵列优劣的判定方法,仿真和实验结果表明,所提出的设计方法普适性强,而且波束形成结果具有较高的分辨率,能够有效抑制旁瓣,提高动态范围。

基于智能安防的含噪声源定位研究

该文论证了声强与时延相结合的含噪声源定位方法,继承了已经研究成熟的时延定位法,结合安防场所特殊的声音环境和突发事件声音特点,提出了采用声强触发定位的新思路,顺利地将声源定位的方法引入了安防领域,并针对特定的情况,提出相应的解决方法,取得了很好的效果,为以后安全防卫开创了一个新途径。

基于声矢量传感器阵列的鲁棒H_∞空气流动速度估计算法

研究了基于声矢量传感器阵列的空气流动速度测量问题。首先,根据声波在气流中的传播原理,求得声场中质点振速与空气流动速度的关系表达式,建立基于声矢量传感器线性阵列的测量模型。在此基础上,根据各个阵元输出信号之间的相位差,提出了基于鲁棒H∞滤波的空气流动速度估计算法,该算法通过各个阵元的信息迭代估计出空气流动速度。然后从理论上讨论了算法的初值选取,并分析了算法对随机扰动的鲁棒性。最后,计算机仿真表明该算法具有良好的鲁棒性和容错性。

相干声波信号DOA单快拍矢量平滑估计与跟踪算法

本文研究了基于声矢量传感器阵列的相干信号波达方向(DOA)估计和跟踪问题.首先,根据中心对称均匀线阵方向矩阵的平移不变特性,提出了一种增强阵列有效孔径的单快拍矢量平滑估计算法(PVFSIA),该算法可以用于相干信号的DOA快速估计.在此基础上,提出了基于迭代的相干信号DOA跟踪算法,该算法无需奇异值分解和矩阵求逆运算,具有较快的跟踪速度.最后,对PVFSIA算法进行了扰动分析,给出了DOA估计误差的理论方差表达式.仿真实验验证了算法的有效性.