海洋声场中分布式无源定位系统的节点配置方法

为了提高海洋声场中分布式无源定位系统的定位精度,提出一种基于自适应遗传算法的节点配置方法。首先,基于到达时间TOA(Time of Arrival)定位算法推导出均匀物理场与海洋声场中定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)。之后,利用BELLHOP模型对海洋声场进行建模,获得任意位置处目标声源与节点接收信号相关的传递函数并对等效声速进行计算.以目标声源在观测区域内服从均匀分布为例,将定位误差的平均CRLB最小为优化准则,采用自适应遗传算法对节点进行优化配置。结果表明,该方法能够有效降低海洋声场中分布式无源定位系统的定位误差,并给出定位误差随节点个数增加呈非线性递减的变化趋势,可为工程应用提供理论指导。      

非均匀声速场中高精度逐次逼近声源定位方法

针对非均匀声速场中传统飞行时间法无法直接计算声源到各声接收点的精确距离从而影响定位精度的问题,提出了一种基于逐次逼近方法的高精度声源定位方法。建立二维平面模型,推导证明了均匀声速场和固定声接收阵型中逐次逼近定位理论的正确性。然后,在任意分布的非均匀声速场和接收阵型条件下,仿真证明逐次逼近法的有效性,以及迭代次数和接收点个数与定位精度的关系。结果表明,该算法可用于非均匀声速场中任意位置声源的声学定位,在125 m×125 m水平区域中,声速起伏范围为±5 m/s,当迭代次数大于26次时,定位误差可小于1 mm,且定位精度随着迭代次数和接收点个数的增加而提高。     

一种分布式双麦克风线阵声源定位方法

分布式麦克风阵列由于比传统的单阵列具有更大的空间孔径,可以获得更好的声源定位性能,因此基于分布式麦克风阵列的声源定位方法成为当前麦克风阵列领域研究的热点之一。本文研究了一种基于分布式双麦克风线阵的声源定位方法,并进行了系统实现,从理论上剖析了该算法的定位精度与单阵列定向误差以及声源位置之间的关系,而且还揭示了声源高度扰动对该算法定位精度的影响。最后,分别通过仿真实验和实际定位系统的测试结果,验证了本文理论分析的正确性。     

基于能量强度测量的多声源目标位置线性估计方法

基于能量强度的多声源定位模型,本文提出了一种声源发射能量强度未知下的多声源目标位置线性估计方法。将多声源定位模型转化为线性最小二乘估计问题,估计方法以代数解形式表示多声源目标位置初始值。对初始估计值进一步优化,得到了精确的多声源目标位置估计值。该定位计算方法将定位结果以代数解形式表示,避免了数值计算过程中因初始解选择不当而导致的局部最优问题。仿真测试了所设计算法的定位精度,并由此分析了噪声及声音能量强度增益对定位误差的影响。结果表明优化后的计算结果较初始估计值有较大改进,在一定噪声范围内其定位精度可以接近于克拉美罗（CRLB）下界值。     

浅海声速剖面与移动声源的跟踪定位

在水平非均匀分布的浅海环境中,针对移动声源跟踪时,声速剖面的变化会对声场产生影响,提出了一种利用集合卡尔曼滤波算法的声速剖面跟踪反演和移动声源跟踪定位的方法。首先,将声速剖面进行距离和深度的参数化表示,从而将对声速剖面的跟踪转化为对声速剖面前3阶经验正交函数系数的跟踪;其次,通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量,而将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型,然后利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。仿真结果得出:声速剖面跟踪反演的均方根误差和移动声源跟踪定位的绝对误差都非常小,对声源的跟踪定位精度很高。并且通过增加集合样本数、增加接收信号信噪比以及增加接收阵元数目都可以提高跟踪定位结果精度。最后,利用东海实验数据对本方法进行了验证。      

海洋声学环境下水中声源的时延估计法定位精度分析

水中声源的定位精度受到海洋声学环境的重要影响。结合海上试验的实际应用,分析了水下观测平台采用时延估计法对声源的定位精度问题。根据理论分析,计算了时延估计误差、海洋中声速不均匀、平台非稳性、及声传播起伏等因素引起的俯仰角和方位角误差。利用误差传递公式,获得了上述因素引起的不同平台深度下,不同距离声源的定位误差。比较了采用平面阵与立体阵、是否补偿声线弯曲效应等条件下定位误差的变化,并通过海上试验结果进行了部分验证。研究结果表明,海洋声速不均匀对定位误差的贡献最大。采用立体阵代替平面阵、测量海洋声速剖面并补偿声线弯曲引起的定位误差,在1000m距离上可使定位相对误差从最大30%降低到约10%,有效提高了较远距离上的定位精度。研究结果对于采取措施提高水中声源的定位精度有指导意义。      

基于蚁群算法的室内可见光高精度三维定位系统

为了提高室内定位精度,实现三维定位,提出一种基于蚁群算法的的可见光通信室内高精度三维定位系统。本系统采用了码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)调制技术,解决了室内可见光通信多信号源之间的符号间干扰.系统中与发光二极管(Light Emitting Diode,LED)光信号源地理位置相关的ID信息码经过直接扩频调制后加载至发光二极管驱动电路,以光信号的形式在室内传播.光信号经过放大、滤波、采样处理后,根据码分多址调制技术中扩频码的正交性恢复出ID信息及光强衰减信息.经过计算获得来自不同发光二极管的信号光强衰减因子,利用蚁群算法的全局搜索性确定最优定位点.引入误差修复因子,利用蚁群算法的并行搜索性对光强衰减因子偏差进行修正.仿真结果表明,信噪比为30dB,20dB,10dB的条件下,算法的定位精度分别为2cm,4cm,8cm.当计算的精度高于45cm时,蚁群算法定位解的搜索效率明显高于遍历法.在10dB的信噪比条件下,对光强衰减因子进行修正后100%的测试点都实现了5cm定位精度.实验结果表明,20dB信噪比条件下,92.59%的测试点的定位误差小于8cm,96.29%的测试点定位误差小于10cm,最大定位误差为11.30cm.经过误差修复后,96.2%的测试点实现了3cm的定位精度,61.6%的测试点实现了2cm的定位精度.本算法在实现了高精度定位,减少了获得最优定位解的计算量.     

一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法

超短基线定位系统的定位精度和准确度是评价系统性能的重要指标, 通常采用固定点的定位重复度来评价定位精度, 采用其他解算方法作为真值参考评价定位准确度. 本文首先分析了以误差椭圆理论为基础的超短基线精度评价方法, 给出了理论推导公式, 证明了观测数据和理论误差椭圆的关系. 本文提出了一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法, 通过长基线交汇模型求解目标的真实位置评价系统的准确度. 根据该方法解算得到的待定目标位置作为真值参考, 能够反应系统误差的修正情况. 最后采用该方法进行海试数据处理, 处理结果表明该方法能够较好的反应定位精度, 进一步修正了系统偏差, 修正系统偏差后和修正前相比定位精度提高了0.2%, 具有良好的工程应用价值.     

吸收体形状对太阳能复合多曲面聚光器光热性能的影响

近年来,室内定位算法吸引了大量的关注和研究。为了改善现有定位算法的复杂度以及精确度等问题,提出了一种先利用Elman神经网络进行室内位置预测,使用加权K近邻算法(WKNN)对预测结果进行修正的可见光室内定位算法。该算法应用在由单LED灯作为发射器,4个水平光电探测器(PD)构成接收器的室内定位系统中。4个水平光电探测器分别位于接收器的4个角,待测位置位于接收器的中心。通过两个Elman神经网络分别预测待测点的横坐标和纵坐标来确定待测点的初步位置,找出定位误差大于神经网络预测平均误差的待测点,用加权K近邻算法进行修正来确定待测点的精确位置,将修正后的精确位置更新到整体待测点的位置中。仿真结果表明,在3.6 m×3.6 m×3 m的室内环境下,本研究算法的平均定位误差为7.13 cm,平均定位时间为0.24 s。     

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法*

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大（以下简称奇异值）,其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,本文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合(Multiple Subarray Combination,以下简写MSC)的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明：该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。     

Distributed sound source localization algorithm with sound velocity calibration in windy environments

A new sound source localization method with sound speed compensation is proposed to reduce the wind influence on the performance of conventional TDOA(Time Difference of Arrival) algorithms. First, the sound speed is described as a set of functions of the unknown source location, to approximate the acoustic velocity field distribution in the wind field. Then,they are introduced into the TDOA algorithm, to construct nonlinear equations. Finally, the particle swarm optimization algorithm is used to estimate the source location. The simulation results show that the proposed algorithm can significantly improve the localization accuracy for different wind velocities, source locations and test area sizes. The experimental results show that the proposed method can reduce localization errors to about 40% of the original error in a four nodes localization system.     

双声源位置和强度识别的三维声强方法

目前在远场识别声源空间位置和强度缺乏行之有效的方法。针对此问题,提出采用四传声器进行三维声强测量,从而构建出声强、声源坐标和声功率的非车线性方程组,求解方程得出声源空间坐标和强度的方法。以3个三维声强探头对两个同频率单极子声源的识别为例,分别利用数值仿真和半消声室内的实验进行方法验证,并对声源的识别空间分辨率做了测试,得出角度识别最大误差为3.83°,为真实值的8.5%,距离识别最大误差0.1 m,为真实距离的10%。结果表明采用该方法空间坐标和声功率识别均具有很高的准确度,双声源的空间位置分辨力也优于远场声全息方法。      

一种改进的弹丸落点声学定位方法

研究了基于传感器阵列的声源定位技术,并在此基础上提出了一种改进的最小二乘声源定位方法。首先,根据风速、风向、温度对声速的影响,建立了观测值修正模型,再根据误差传播特性合理分配权阵,然后用最小二乘法进行定位解算;考虑观测值中可能含有粗差,将IGG3抗差模型加入到数据处理中,以提高系统的抗干扰能力;另外,通过观察残差向量,判断可能出现时序错误的观测值,再对时序不断调整,解决多声源时序混乱的问题。最后,通过对试验数据解算分析,证明本文方法的有效性和可行性。试验结果表明:改进的最小二乘声源定位方法可使定位误差达到4 m以下。本文所提方法不仅能有效降低粗差的影响,而且可准确处理多声源定位中观测值时序关系混乱的问题,可靠性较高。本文的研究内容紧密联系实际,可为声源定位设备的设计和应用提供参考依据。      

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

高精度球面阵聚焦声源定位方法研究

提出了一种高精度高空间分辨率球面阵聚焦声源定位方法——虚拟源法。该方法通过球面阵波束扫描获得实际声源的空间聚焦谱,并假定各扫描点为虚拟声源,将实际声源聚焦谱看作是全体虚拟源共同作用的结果,由此得到各虚拟源对声场的贡献量,从而可实现声源精确定位。仿真研究分析了频率,阵列孔径,声场模态阶数,信噪比等参数对声源定位性能的影响,并与常规算法进行对比。结果显示,该方法不受频率和阵列孔径的限制,避免了空间“混淆”,能够进行高精度高分辨率声源定位,并具有良好的背景噪声抑制能力。      

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。      

浅海复杂环境下等效声速剖面的构建方法*

针对浅海复杂环境声速剖面水平变化情况下的声传播损失预报及目标定位问题,提出了一种基于遗传算法的等效声速剖面重构算法。首先,将声速剖面进行时间和空间上的分解,从而将声速剖面抽象为对声速剖面前三阶正交函数系数的反演;其次,利用遗传算法,以先验声速剖面集为基础,进行参数反演。仿真结果表明,在浅海复杂条件下,传播损失预报受声速剖面及海洋参数的影响,不能直接运用接收或发射位置处的声速剖面进行传播损失预报,否则会对预报结果造成误差。通过构建具有声传播累积效应的等效声速剖面可以提高匹配场定位精度,完成目标定位,且在构建等效声速剖面时,接收位置处即本地声速剖面所占权重较大。     

复杂封闭声场面板声学贡献度识别的等效源法

针对由复杂结构振动形成的封闭空间声场,提出了一种基于等效源法的面板声学贡献度分析方法。该方法首先利用基于等效源法的内部声全息技术,重构出振动结构表面的法向振速并实现对整个内部封闭声场的预测。再将振动结构的每个面板在腔体内部场点产生的声压分别用位于空腔表面附近的等效源在该点产生的辐射声压代替,将复杂的封闭非自由声场问题转化为简单的内部自由场问题,结合重建出的结构表面法向振速进而识别出封闭振动结构各面板对腔体内任意位置的声学贡献度。通过对复杂结构内声场的数值仿真和验证实验,分析了等效源的数量及与重建面距离等参数对重建精度的影响,结果表明所提方法不仅能够达到传统数值分析方法的计算精度,而且具有更简单的求解过程。      

Equivalent source method for identification of panel acoustic contribution in irregular enclosed sound field

For the interior sound field formed by the complex vibrating structure,an identification approach of panel acoustic contribution based on equivalent source method(ESM)was presented.The normal velocity on the surface of vibrating structure was first reconstructed by using interior nearfield acoustic holography based on ESM and the prediction of whole interior enclosed sound field was realized.Then the sound pressure produced by each panel at the interested field point was respectively replaced by the radiated pressure of the enclosed interior sound field which is formed by the equivalent virtual sources located near the surface of the cavity.Combining with the reconstructed normal surface velocity,the acoustic contribution of each panel to any position in the cavity was obtained by transforming the complex enclosed non-free field into the simple interior free field.Numerical simulations and experiments are conducted,and the influences of the number of the equivalent sources and the distance between them and the reconstructed surface have been investigated.The results show that the proposed method is easier to be implemented with the same accuracy than the traditional analysis method.