一種新的聲發(fā)射時(shí)差定位方法

于 洋 王 賽

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

傳播速度和時(shí)差的測(cè)量是時(shí)差定位技術(shù)的關(guān)鍵。在時(shí)差定位中，一般可通過查閱工程手冊(cè)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量獲得聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度，因此，時(shí)差的測(cè)量精度對(duì)聲發(fā)射源的定位精度有很大的影響[1]。譜熵能量積之所以能有效區(qū)分語音信號(hào)和非語音信號(hào)是因?yàn)樵谡Z音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)中，該方法能有效確定語音的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，而聲發(fā)射信號(hào)和語音信號(hào)相似，也具有非線性和非平穩(wěn)性的特點(diǎn)[2]，因此在聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)定中也可以運(yùn)用語音端點(diǎn)檢測(cè)法中的譜熵能量積方法。譜熵能量積是在短時(shí)能量算法的基礎(chǔ)上對(duì)譜熵法進(jìn)行改進(jìn)，使其在無噪聲和非平穩(wěn)噪聲情況下測(cè)量精度都有大幅度提高，魯棒性得到增強(qiáng)[3]。對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)，同樣可以使用譜熵能量積計(jì)算輸入聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而將聲發(fā)射信號(hào)段和噪聲段有效區(qū)分開，以確定聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

1 基于譜熵能量積的到達(dá)時(shí)間測(cè)量

圖1 聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間算法流程

在時(shí)差測(cè)量中，通常采用特征值法、互相關(guān)法[4]和廣義互相關(guān)法[5]。其中在特征值法中，一般選擇的特征點(diǎn)是觸發(fā)時(shí)刻，由于信號(hào)來自不同的傳播路徑，可能導(dǎo)致同一信號(hào)的幅值由于傳感器的不同而不同，那么就可能在相同的觸發(fā)時(shí)刻使得波形位置出現(xiàn)不一樣的情況，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生；若特征值點(diǎn)取在信號(hào)的峰值，那么在記錄信號(hào)中混有更高峰值的信號(hào)時(shí)，就會(huì)把噪聲信號(hào)取為特征值點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。信號(hào)和噪聲之間、噪聲和噪聲之間的兩兩互不相關(guān)是互相關(guān)法應(yīng)用的前提；另外，互相關(guān)函數(shù)在數(shù)學(xué)意義上是一種可以用無窮時(shí)間平均值，在平穩(wěn)遍歷的條件下來替代嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)平均的函數(shù)，但是在實(shí)際的計(jì)算測(cè)量中，一般是由有限的時(shí)間平均代替嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)平均，因此在有限的時(shí)間里，噪聲因素的影響在互相關(guān)函數(shù)中不能被忽略。廣義互相關(guān)法對(duì)輸入信號(hào)及噪聲的統(tǒng)計(jì)等先驗(yàn)知識(shí)的依賴性較強(qiáng)，然而對(duì)于通常的聲發(fā)射檢測(cè)，這些先驗(yàn)知識(shí)一般是較難獲得或其完整性難以保證的。由于來自同一信號(hào)的噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的譜熵能量積存在較大的不同，因此通過計(jì)算信號(hào)的譜熵能量積，能準(zhǔn)確區(qū)分噪聲信號(hào)與聲發(fā)射信號(hào)，可以降低信號(hào)在低信噪比環(huán)境下短時(shí)能量法的誤差，同時(shí)也可以彌補(bǔ)沒有噪聲情況下譜熵算法不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，因此聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間可以被更加準(zhǔn)確地測(cè)量到。

2 聲發(fā)射源定位

主要用聲發(fā)射源面定位實(shí)驗(yàn)對(duì)上述方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)聲速的測(cè)量精度對(duì)定位精度的影響和聲速測(cè)量中存在的誤差，筆者采用增加傳感器的方式增加計(jì)算式，通過該計(jì)算式消除速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

如圖2所示，分別放置傳感器(傳感器位置已知)，其中l(wèi)1、l2、l3、l4分別為4個(gè)傳感器到聲發(fā)射源的距離，信號(hào)到達(dá)4個(gè)傳感器的時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4，聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度為v。

圖2 聲發(fā)射源面定位示意圖

結(jié)合圖2，按幾何關(guān)系可以得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

按照GB/T 18182-2000標(biāo)準(zhǔn)的要求，聲發(fā)射信號(hào)用鉛筆芯折斷進(jìn)行模擬，鉛筆芯的直徑為0.5mm，硬度為HB，伸長量為2.5mm，與鋼板的夾角為30°。通過130cm×100cm的長方形鋼板進(jìn)行聲發(fā)射源平面定位。實(shí)驗(yàn)選用寬頻聲發(fā)射傳感器DP3I，傳感器頻率范圍為100～1 000kHz，工作溫度為-65～175℃。選用的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)為Micro-Ⅱ(Digital AE System)，可滿足實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸所有通道的AE參數(shù)和波形數(shù)據(jù)。在寬頻傳感器一端還需附加一個(gè)前置放大器，用于增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，選用增益可調(diào)放大器。本實(shí)驗(yàn)選擇40dB增益，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)帶寬為10～2 000kHz，完全滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)信號(hào)采集的需求。

3.2 面定位

在面定位中，4個(gè)傳感器的坐標(biāo)分別為(0，0)、(0，60)、(76，0)、(76，60)，單位為cm，圖3為面定位聲發(fā)射信號(hào)處理結(jié)果，表1為基于譜熵能量積的定位結(jié)果和對(duì)應(yīng)的相應(yīng)誤差。由圖3可以看出，噪聲信號(hào)與聲發(fā)射信號(hào)的譜熵能量積在數(shù)值上存在明顯差異，由此可根據(jù)上述算法得到聲發(fā)射信號(hào)開始的時(shí)間，并以此作為聲發(fā)射的到達(dá)時(shí)間。

圖3 面定位聲發(fā)射信號(hào)處理

序號(hào)實(shí)際位置cm定位結(jié)果cmx坐標(biāo)相對(duì)誤差%y坐標(biāo)相對(duì)誤差%1(10,35)(10.24,35.59)2.401.692(15,25)(15.22,25.47)1.471.883(20,55)(19.71,56.28)1.452.334(25,50)(25.39,49.21)1.561.585(30,40)(29.56,39.34)1.471.656(35,20)(35.34,20.23)0.971.157(40,45)(40.47,45.61)1.181.348(45,30)(45.55,30.37)1.221.239(50,15)(50.83,15.19)1.661.2710(55,10)(53.63,9.79)2.492.10

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于面定位實(shí)驗(yàn)，影響定位精度的因素主要有傳感器、時(shí)差算法和傳感器坐標(biāo)，在本實(shí)驗(yàn)中通過門限法判定信號(hào)起始點(diǎn)是造成實(shí)驗(yàn)誤差的最主要因素，也是實(shí)驗(yàn)下一步改進(jìn)的主要方向。根據(jù)石油儲(chǔ)罐罐底定位的工程實(shí)踐，定位誤差必須控制在5.00%以內(nèi)。在本實(shí)驗(yàn)中，最大定位誤差出現(xiàn)在x坐標(biāo)定位結(jié)果中，為2.49%，總體符合工程定位要求。

4 結(jié)束語

筆者將譜熵能量積方法引入到聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)定上，利用噪聲信號(hào)與聲發(fā)射信號(hào)的譜熵能量積的顯著不同區(qū)分出噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而獲取聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中，使用了Micro-Ⅱ(Digital AE System)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)消去速度因素的影響來探究時(shí)差對(duì)定位準(zhǔn)確性的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用譜熵能量積的時(shí)差定位的最大誤差為2.49%，滿足聲發(fā)射源定位的需要，相比傳統(tǒng)方法具有較高的精度。

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