基于前期到达波的圆柱形储液罐底板声源定位方法

摘要

本发明公开了一种基于前期到达波的圆柱形储液罐底板声源定位方法。本发明首先计算传感器实测信号的时间特征序列；然后，将底板均匀离散化成多个网格(每个网格点代表可能的声源位置)，基于声波传播理论，根据本发明提出的圆柱形储液罐底板的声源传播路径计算方法，计算网格点所发出声波到达每个传感器的所有早期的波达时间，构造波达时间特征序列；接着，计算每个网格点波达时间特征序列和实测信号时间特征序列的匹配度；最后，找出匹配程度最高的网格点即为所求声源位置。

主权项

一种基于前期到达波的圆柱形储液罐底板声源定位方法，包括以下步骤：(1)对于半径为R、液位为H的储液罐，底板中心为坐标原点，其壁板上安装有Q个传感器，第i个传感器的笛卡尔坐标为(Rcosθ_i，Rsinθ_i，h_i)，有q个传感器检测到底板声源发出的信号，第i个传感器采集到的声波信号为S_i。(2)提取传感器实测信号的早期波达时间特征。以第一个传感器检测到信号开始，截取后续ΔT₁时间内的信号；计算实测信号单位时间ΔT内的能量，获得实测信号的能量序列；对能量序列进行规格化处理，得到的序列即实测信号的时间特征序列，每个传感器的波达时间特征序列长度为N，合成一个序列P后的长度为qN；(3)将圆形底板外切矩形均匀分割成L*L个方形网格，只取圆板内的网格点，得到K个网格点，其中第k个网格点坐标r_k为该网格点距离底板中心的距离，为方向角。(4)计算每个网格点位置所发出信号经多次反射传播到达传感器的早期波达时间，只保留第一个波达时间后续ΔT₁内的波达时间，并以ΔT为最小时间单元构造波达时间特征序列，每个波达时间对应位置叠加一个宽0.2ms‑1ms的脉冲信号，得到第k个网格点的波达时间特征序列，每个传感器的波达时间特征序列长度为N，合成一个序列T(k)后的长度为qN。波达时间含两部分，第一部分包含以纵波、弯曲波方式通过底板传播和通过液体传播直接到达传感器的时间t_l、t_f和t_d，第二部分波达时间指在罐壁、液面和底板处多次反射后通过液体到达传感器的时间t_r。对于底板纵波波速为v_l，底板弯曲波波速为v_f，液体中波速为v，第一部分时间计算方法为：t_l＝(L+h_i)/v_lt_f＝(L+h_i)/v_f$t_d=\sqrt{L^2+h_i}/v$t_r由多个反射波波达时间构成。对于网格点发出信号经壁板反射n次，液面反射m次到达第i个传感器的反射波波达时间t有两个，其计算方法为：$t=\sqrt{d^2+(2\mathrm{mH}\pm h_i{)}^2}/v,$其中$d=2\mathrm{nR}\cos \alpha +\sqrt{{[x-R\cos (\mathrm{n\pi }-2\mathrm{n\alpha })]}^2+{[y-R\sin \left(2\mathrm{n\alpha }\right)]}^2}$而α是方程x·sin(2n+1)α+y·cos(2n+1)α＝(‑1)ⁿ·R·sinα的解。(5)将传感器实测信号的时间特征序列P和网格点波达时间特征序列理论值T(k)作零均值处理后，求两者互相关系数的最大值，即为匹配度M(k)(k＝1，2，...，K)。计算方法为：$M\left(k\right)=\frac{\mathrm{Max}\left(C_{P,T\left(k\right)}\left(b\right)\right)}{\sqrt{C_{P,P}\left(0\right)C_{T\left(k\right),T\left(k\right)}\left(0\right)}},b=\mathrm{0,1},...,N-1$其中的互相关系数：$C_{A,B}\left(b\right)={\Sigma }_{a=0}^{\mathrm{qN}-b-1}{A}_{(a+b)}{B}_{\left(a\right)}.$(6)求出K个网格点匹配度最大值对应的序号j，则即为所求声源位置。