Si到聲源P距離較參照聲傳感 器S。的遠(yuǎn)，則τ;。為正，反之為負(fù)。
[0053] 獲取聲源到0點的距離L :
[0055] 具體的，所述獲取聲源到0點的距離L的過程，包括：
[0056] 聲源到參照聲傳感器的距離為L。，聲源坐標(biāo)為（X，y，z)，則聲源到0點的
第i定位聲傳感器的坐標(biāo)為（Rcos& ,Rsin奶.，0 ),其中， .=2;r(/ - Γ)Ζ /V，則聲源到第i定位聲傳感器間的距離為（"+C τ 1(])，則第i個定位聲傳感 器到聲源的距離關(guān)系式為：
[0057]
[0058] 對所述第i個定位聲傳感器到聲源的距離關(guān)系式展開并用聲源到0點的距離L進(jìn) 行替換，則有
[0059]
[0060] 其中，穸為聲源的方位角；
[0061] 對第一到第N個定位聲傳感器到聲源的距離關(guān)系式求和，則有
[0062]
[0063] 由于N個定位聲傳感器均勻水平分布在以R為半徑、以0點為圓心的圓周上，則有
，在遠(yuǎn)場條件下，L。= L，對式（3)求解，則有
[0065] 獲取聲源相對于〇點的方向：
[0066]
[0067] 其中，Θ為聲源的俯仰角，φ為聲源的方位角，麫為第i定位聲傳感器的方位角。
[0068] 具體的，所述獲取聲源相對于0點方向的過程，包括：
[0069] 聲源的方向向量_石^為(s_iii#cc)Sf,sin0sin爐，cos#)，則相對于參照聲傳感器，聲源 到第i定位聲傳感器的聲程差山。為：
[0074] 由最小二乘估計法，可得：

[0078] 對式⑶求解，獲得聲源的俯仰角Θ和方位角?(>，則有：
[0081] 本實施例提供的遠(yuǎn)場聲源定位方法，利用參照聲傳感器和均勻水平分布在以R為 半徑、以〇點為圓心圓周上的Ν個定位聲傳感器，以參照聲傳感器為基準(zhǔn)，根據(jù)聲源到各傳 感器的聲程差，計算獲得聲源相對于0點的距離信息和方向信息，進(jìn)而實現(xiàn)聲源目標(biāo)的定 位。利用本實施例提供的遠(yuǎn)場聲源定位方法獲得的定位結(jié)果，其誤差與聲源目標(biāo)的方位角 無關(guān)，定位結(jié)果準(zhǔn)確。
[0082] 實施例三
[0083] 本實施例對上述實施例的結(jié)果進(jìn)行誤差分析：
[0084]
可見，聲源目標(biāo)的定位精度跟目標(biāo)與陣列之間的距離、 時延測量值誤差，聲速c測量誤差以及定位傳感器的分布半徑R誤差有關(guān)。由誤差傳遞原 理可知：
[0086] 式中，和分別是由時延測量值誤差，聲速c測量誤差以及位傳感器 的分布半徑R誤差引起的距離定位誤差。
[0087] 對式⑷求τ i。的偏導(dǎo)，可得：
[0089] 對式（3)泰勒展開，且在遠(yuǎn)場條件下，可得：
[0090]
[0093] 時延τ10、τ2。，......，τ η。的統(tǒng)計誤差特性相同，均為σ τ。
[0094] 結(jié)合式（11)和式（13)，則由于時間誤差導(dǎo)致的距離定位誤差為：
[0096] 對式（4)求定位聲傳感器分布半徑R偏導(dǎo)，可得由于定位聲傳感器分布半徑R測 量誤差導(dǎo)致的定位精度誤差：
[0098] 對式（4)求陣聲速c的偏導(dǎo)，可得由于聲速測量誤差導(dǎo)致的定位精度誤差：
[0100] 于是，距離定位誤差可表示為：
[0102] 由此可見，本發(fā)明所公開的遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)和方法的距離定位誤差與方位角無 關(guān)，聲源的距離定位準(zhǔn)確。
[0103] 由式（9)和式（10)可知，方位角和俯仰角誤差只與時間測量誤差有關(guān)。由式（9) 對τ i。求偏導(dǎo)，可得：
[0104]
[0105] 式中A、B定義如下，結(jié)合式（8):
[0108] 將式（20)和式（21)代入式（19)，可得：
[0109]
[0110] 由于時延τ1(]、τ2。，......，τη。的統(tǒng)計誤差特性相同，均為σ τ。于是，由于時間 誤差導(dǎo)致的方位角定向精度誤差為：
[0111]
[0112] 由式（10)對h。求微分，可得：
[0113]
[0114] C定義如下：
[0116] 于是，由于時間誤差導(dǎo)致的俯仰角角定向精度誤差為：
[0118] 將A、B、C代入式（26)，并整理可得：
[0120] 由式（23)和式（27)可見，本發(fā)明所公開的遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)和方法的方向定位 誤差與方位角無關(guān)，聲源的方向定位準(zhǔn)確。
[0121] 以上對本發(fā)明所提供在線磨合進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明 的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核 心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可 以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，包括： N個定位聲傳感器，所述定位聲傳感器均勻水平分布在W R為半徑、W 0點為圓必的圓 周上，其中，N為不小于4的自然數(shù)； 1個參照聲傳感器，所述參照聲傳感器位于0點正上方，且與0點的距離為D ; 數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊分別與定位聲傳感器和參照聲傳感器相連，用于接 收聲源的噪聲數(shù)據(jù)，并對所述噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，獲得聲源的位置信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述定位聲傳感器的個數(shù)N為 10 ~12。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述半徑R為4m~6m。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述D與半徑R的比值D/R不 小于0. 4。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，還包括傳感器支架，所述傳感 器支架用于支撐固定所述定位傳感器和參照傳感器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊，包括： 聲源距離定位單元，所述聲源距離定位單元分別與定位聲傳感器和參照聲傳感器相 連，用于根據(jù)所述噪聲數(shù)據(jù)定位聲源與0點間的距離，生成聲源的距離信息； 聲源方向定位單元，所述聲源方向定位單元分別與定位聲傳感器和參照聲傳感器相 連，用于根據(jù)所述噪聲數(shù)據(jù)定位聲源的方向，生成聲源的方向信息。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 數(shù)據(jù)存儲模塊，所述數(shù)據(jù)存儲模塊與所述數(shù)據(jù)處理模塊相連，用于接收并存儲所述聲 源的距離信息和方向信息。 用戶終端，所述用戶終端分別與所述數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊相連，用于顯示所 述聲源位置信息。8. -種基于權(quán)利要求1~7所述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)的遠(yuǎn)場聲源定位方法，其特征在于， 包括： 建立W 0點為原點、豎直方向為Z軸的空間坐標(biāo)系； 獲取相對于參照聲傳感器，聲源到第一定位聲傳感器的聲程差C τ 1。，聲源到第二定位 聲傳感器的聲程差C τ 2。，…聲源到第i定位聲傳感器的聲程差C τ 1?！ぁぁ?，聲源到第Ν定位聲 傳感器的聲程差C τ。。，其中，C為聲速，τ i。為相對于參照聲傳感器，聲源到第i定位聲傳感 器的延時時間； 獲取聲源到0點的距離L :獲取聲源相對于0點的方向：其中，聲為聲源的方位角，θ為聲源的俯仰角巧為第i定位聲傳感器的方位角。9. 根據(jù)權(quán)要求8所述遠(yuǎn)場聲源定位方法，其特征在于，所述獲取聲源到0點的距離L的 過程，包括： 聲源到參照聲傳感器的距離為L。，聲源坐標(biāo)為（X，y，Z)，則聲源到0點的距 離為第i定位聲傳感器的坐標(biāo)為（民cos巧，Rsin巧.，0 ),其中， 巧=2疋(/ -1)/ W，則聲源到第i定位聲傳感器間的距離為（Ln+c τ 1。)，則第i個定位聲傳感 器到聲源的距離關(guān)系式為：對所述第i個定位聲傳感器到聲源的距離關(guān)系展開并用聲源到0點的距離L進(jìn)行替 換，則有其中，巧為聲源的方位角； 對第一到第N個定位聲傳感器到聲源的距離關(guān)系式求和，則有所述定位聲傳感器均勻水平分布在WR為半徑、W0點為圓必的圓周上，則有在遠(yuǎn)場條件下，L。= L則聲源到0點的距離L為：10. 根據(jù)權(quán)要求8所述遠(yuǎn)場聲源定位方法，其特征在于，所述獲取聲源相對于0點方向 的過程，包括： 聲源的方向向量亦為知116^0)^斯8^。8^斯0)8(9)，則相對于參照聲傳感器，聲源到第 i定位聲傳感器的聲程差cU為：
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，包括：N個定位聲傳感器，1個參照聲傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊。還提供了一種基于上述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)的遠(yuǎn)場聲源定位方法，包括：建立以O(shè)點為原點、豎直方向為z軸的空間坐標(biāo)系；獲取相對于參照聲傳感器，聲源到第i定位聲傳感器的聲程差cτi0，獲取聲源到O點的距離L，獲取聲源相對于O點的方向。本發(fā)明利用上述遠(yuǎn)場聲源定位系統(tǒng)，以參照聲傳感器為基準(zhǔn)，根據(jù)聲源到各傳感器的聲程差，計算獲得聲源相對于O點的距離信息和方向信息，進(jìn)而實現(xiàn)聲源目標(biāo)的定位，其誤差與聲源目標(biāo)的方位角無關(guān)，定位結(jié)果準(zhǔn)確。
【IPC分類】G01S5/22
【公開號】CN105572637
【申請?zhí)枴緾N201410543161
【發(fā)明人】張學(xué)磊
【申請人】中國電子科技集團公司第三研究所
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年10月14日