专利名称：对不相关的噪音源进行探测和定位的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用传感器对在通常情况下的噪音源进行探测和定位，其中的传感器适合用于噪音源的特性。
本发明涉及对噪音源进行探测和定位并呈现窄或宽频带发射光谱的方法，其中的噪音源位于一、二或三维或彼此可选择关联的空间内。
本发明特别指出在对下面领域有最好的应用，即对可选择地伴有回声并来自例如车辆、轮船、航空器或武器的噪音源进行定位。
背景技术：
在许多应用场合中，需要能以相对精确的方式对噪音源定位，从而采取措施来抑制该噪音源。在现有技术中，已知有许多解决办法来对噪音源进行声学定位。主要公知的解决方法是利用使探测传感器发出的信号相互关联的技术。
这些技术具有的缺陷是，对在测量传感器的环境下出现的干涉噪声特别敏感。另外，必须考虑的是，这些技术构成了用于在考虑中每个应用场合的特别方法。
在最广泛应用中的技术包括具有大量传感器(几百个)的天线和进行光束形成的大型计算机系统以瞄准给定方向，从而增加了信噪比。该方法不就噪音源数量和它们之间任何可能关联作出任何预先的假设，这样导致了求解的丢失。
发明内容
因此，当噪音源数量很小并已知或者估计过高时，就需要一般的对在空间噪音源进行探测和定位的方法。
本发明利用适合于噪音源特性的传感器，通过提出对噪音源进行探测和定位来寻求满足这种需要。该方法具有较低的实现成本。
为了达到这个目的，本发明的方法包括
取由传感器(Yi)发出的随时间变化的电信号，由传感器发出的每个信号si(t)为由噪音源发射信号Sj的和；对所取的随时间变化的电信号进行放大和过滤；将所述电信号数字化用下面公式计算函数ff(n1,...,nj,...,nN)=Σk≠1Rk1]]>其中系数Rkl为给出噪音源(Xj)方向的矢量nj函数；以及使函数f最小化，来确定噪音源方向nj。
参照附图，从下面给出的描述中可知各方面的其他特征，其中附图示出了作为非限定实例的本发明实施例和实现过程。
图1为本发明探测方法原理的示意图。
图2为本发明方法的详细特征示意图。
图3为利用两个传感器对两个噪音源进行定位的方法示意图。
具体实施例方式
从图1中可以看出，本发明方法包括对噪音源X1、X2、...、Xj、...、Xm进行定位，其中j在1到M的范围内进行变化，噪音源分布在空间内，每个噪音源均发射相应的信号Sj，其中j在1到M的范围内变化。本发明的方法包括利用声波或振动传感器Y1、Y2、...、Yi、...、YN对噪音源Xj进行定位，其中i在1到N范围内变化，每个传感器发出相应的随时间变化的电信号s1、s2、...、si、...、sN。
该方法包括取每个传感器发出的随时间变化的电信号si(t)和噪音源Xj发出的信号Sj和的代表值。在各种噪音源共同作用的基础上，在第N个传感器接收到的信号si(t)表达成如下si(t)=Σj=1MAijSj(t-rijc)]]>其中i＝1到N，而rij为噪音源Xj和传感器Yj之间的距离，而c为在周围媒质中声音的速度。
项Aij表示由于与传感器敏感系数一起传播而导致的衰减，表示成如下Aij＝BiC(rij)其中i＝1到N，而j＝1到M，其中Bi为传感器Yi的敏感系数，而C(rij)为由于在距离rij上传播导致的衰减。
传感器Yi与相应的电子单元(未示出)连接，其中电子单元用于对其拾取的信号进行放大并低通滤波。传感器最好在模数和相位上匹配，从而它们的敏感度一致。这样，对于i＝1到N，Bi＝G。
最好是，为了方便使用如上所述的传感器天线，传感器Yi彼此相对靠近。因此，对于远处的噪音源，距离rij为距离rj的级数，即传感器和噪音源Xj重心之间的距离。这样，只有C(rij)＝C(rj)时，衰减就成为距离rj的函数，其中，i＝1到N以及j＝1到M。
从以上可推导出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，对Sj中的项a(rj)求积分，下面公式可写成si(t)=Σj=1MSj(t-rijc)]]>其中i＝1到N。
利用傅立叶变换，信号si(t)的表达式变成 其中i＝1到N。
其中 和 分别是s和S的傅立叶变换，而ω为角频率。
该第一公式(1)把接收到的信号与距离rij，即与噪音源Xj的位置联系起来。
从图2中可以看出，可表示出其他与几何考虑有关的关系，其中所述的几何考虑使距离rij与单位矢量nj联系起来，该矢量确定了由传感器和产生信号Sj的噪音源重心限定的方向。传感器的位置由来自传感器Yi位置及其重心位置的矢量Ci来限定。对rij的第一级进一步限制，于是提供(2)rij≈ri-<nj，ci>
其中i＝1到N以及j＝1到M，同时<.，.>为标量积。
这样，通过把rij用(2)中给出的近似表达式来替换，并对该相位项积分e-Jωrjc]]>该公式只取决于在 量级的噪音源Xj，公式(1)可写成 其中i＝1到N。
该关系也可表达成矩阵和矢量形式 其中，矢量Tj的第i个坐标为(Tj)i=e-Jω<nj,ci>c]]>其中i＝1到N。
或者实际上(5)si(ω)＝T.S(ω)其中T＝具有通项的矩阵Tij=e-Jω<nj,ci>c]]>当噪音源Xj不相关时，信号sj就从矢量nj的信号sj中求出。然后就使对于i≠j的si和sj之间的互联函数最小化。
一旦最小化工作完成，在确定了方向nj后。也可重新得到量级sj。
如果N＝M，即如果有与噪音源同样多的传感器，则系统(5)通�？杀坏叩�。
如果N≥M，则通过在左边乘以tT*而推导出平方系统。即通过乘以共扼转置矩阵T。于是系统(5)就变成tT*.s(ω)＝tT*.T.S(ω)即(6)S(ω)＝(tT*.T)-1.tT*.s(ω)利用通过这种方式正式表示的信号 后，噪音源i和j之间的关联系数Rij就通过下面公式计算出(7)Rij=∫-∞+∞Γij2(τ)dτΓii(0).Γjj(0),i≠j]]>其中Гij也可从频率量级中计算出，得到 用于最小化的函数于是为(9)f(n1,...nj,...,nN)=Σk≠1Rk1]]>其中系数Rkl为矢量nj的函数。
当信号si、Sj以可比较的幅值被接收时，Rij的分母与量级的级数相同，并接着可被1来替代，同时不损坏最小值的位置。当在可能延迟中变化范围很小时，计算Гij可最好在时域中进行。
一旦求出了由矢量nj确定的方向，就也能从公式(6)中得到Sj的量级。这种方法能确定噪音源Xj的性质。
下面参照图3的描述提供了利用两个传感器Y1、Y2来对两个噪音源X1、X2进行探测和定位的实例(N＝2)。
在频域，用下面公式来表示分别由两个传感器Y1、Y2发出的电信号s1、s2和由噪音源X1、X2发射的信号S1、S2和的代表值
其中τij=rijc]]>为由噪音源j发射的信号在到达传感器j前传播的延迟。
变化该系统得到 对于延迟τ，在噪音源信号S1和S2之间的交联(cross-correlation)函数写成 替换 和 得到Γ12(τ)=∫-∞+∞N(ω)|D(ω)|2dω]]>其中 以及|D(ω)|2=4sin2ω2(τ11+τ22+τ12+τ21)]]>在这种情况下尝试(但为次一级最佳)的解只包括使分子N最优化。
交联关系Г12于是近似为Γ12(τ)≈∫-∞+∞N(ω)dω]]>用其数值来替换N(ω)，得到一个表达式，该表达式仅为γij的函数，该函数对应于测量信号si和Sj之间的自动关联和交互关联关系Γ12(ω)≅-γ11(τ+τ12-τ22)-γ22(τ+τ11-τ21)+γ12(τ+τ11-τ22)+γ21(τ+τ12-τ21)]]>回顾一下距离rij近似为
rij≈ri-<nj，ci>
这样，替换在该近似表达式中的rij，并对Sj(ω)中的相位项e-Jωrjc]]>积分，可最终推导出如下的Г12的估计值表达式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)]]>在这里，nj＝(OXi)的单位矢量，其中i＝1，2。
然而<n1,c2>=-D2cosθ1]]><n1,c2>=D2cosθ1]]><n2,c1>=-D2cosθ2]]><n2,c2>=D2cosθ2]]>在这里，传感器之间的距离用D表示。则Γ12≈-γ11(τ+Dccosθ2)]]>-γ22(τ+Dccosθ1)]]>+γ12(τ+D2c(cosθ1+cosθ2))]]>+γ21(τ+D2c(cosθ1+cosθ2))]]>
相对于(θ1，θ2)进行最小化的函数为R12=∫-∞+∞Γ122(τ)dτ]]>在θ1，θ2之间不确定的符号(sign ambiguity)通过分析含有噪音源的半平面来消除，并假定为已知的现有技术。
由于在不脱离该范围情况下可进行各自改型，因此本发明并不限于上述描述和图中示出的实例。
权利要求
1.一种对噪音源进行探测和定位的方法，其中每个噪音源发射相应的信号Sj，j＝1到M，利用声波或振动传感器(Yi)来进行探测，其中每个传感器发出相应的随时间变化的电信号si，i位于1到N的范围内，该方法包括取由传感器(Yi)发出的随时间变化的电信号，由传感器发出的每个信号si(t)为由噪音源发射信号Sj的和；对所取的随时间变化的电信号进行放大和过滤；将所述电信号数字化计算函数f(n1,...nj,...,nN)=Σk≠1Rk1]]>其中系数Rk1为给出噪音源(Xj)方向的矢量nj函数；以及以上述方式使函数f最小化，来确定噪音源(Xj)的方向nj。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于为了使函数f最小化，该方法包括对由传感器发出的信号si(t)进行傅立叶变换；形式上地计算系数Rij 使函数f最小化，以确定选定的噪音源(Xj)的方向nj。
3.根据权利要求1的探测方法，其特征在于为了使函数f最小化，该方法包括形式上地计算系数RijRij=∫-∞+∞Γij2(τ)dτΓii(0).Γjj(0)]]>在这里，Γij为信号si和Sj之间的交联函数。
4.根据权利要求1的探测方法，其特征在于，在最小化过程结束后，该方法包括计算噪音源矢量S(ω)＝(tT*.T)-1.tT*.s(ω)从而得出噪音源(Xj)的特性。
全文摘要
本发明涉及一种对噪音源(X
文档编号G01S15/00GK1629655SQ20031012129
公开日2005年6月22日 申请日期2003年12月17日 优先权日2003年12月17日
发明者A·颇木易, J·麦尔利特 申请人:麦特瑞勃公司
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