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  • 1 # 聯豐迅聲

    在回答這個問題之前,我們首先需要搞清楚,聲源定位的原理是什麼?

    實際上聲源定位的方法眾多,下文提到的聲源定位僅指透過陣列波束形成被動聲源定位。對於大部分基於波束形成的聲源定位系統,其實現流程一般都有如下所示的幾個步驟:

    聲源定位流程

    在聲源定位流程中,計算出陣列的波束圖之後,一般還有兩步:

    1)尋找波束峰值——也就是搜尋主瓣的峰值,因為主瓣(最高的小山峰)峰值此時對應的空間角度是聲源的方向,可以從而獲得聲源方向資訊。

    2)空間位置對映——計算出來聲源方向後,根據陣列的已知位置資訊進行空間對映即可計算出聲源的相對位置。

    可以看出,整個聲源定位的核心步驟是前兩步,因為主瓣所對應的空間角度的準確性直接決定了聲源定位系統的精度。正向我們前面所說的,主瓣寬度越窄,相對旁瓣越高,此時定位的精度則越高,抗干擾性越強。

    正是基於這個道理,我們常見的聲源定位系統的陣型一般都會選擇大孔徑的均勻陣,這是提升聲源定位系統精度最簡單粗暴的方法,因為這樣合成的波束主瓣又高又窄。因此在常見的聲源定位系統中,主瓣寬度(3dB寬度)往往會被作為很重要的系統指標。

    下圖展示了日常生活中的幾種聲源定位系統,可以看出這些系統大多采用簡單粗暴的均勻線列陣或是平面陣,而且尺寸都比較大(潛艇的舷側陣聲吶可長達數十米)。

    聲學相機——又名聲相(像)儀,是利用聲感測器陣列測量一定範圍內的聲場分佈的專用裝置。可用於測量物體發出的聲音的位置和聲音輻射的狀態,將採集的聲音以彩色等高線圖譜的方式視覺化呈現在螢幕上,有效的測量聲場分佈,聲場圖與可見光的影片影象完美疊加,形成類似於熱影像儀對物體溫度的探測。

    這裡我們主要講講目前國內外主流的陣型——螺旋陣。下圖是幾款聲學相機的外觀圖片,我們暫且以A/B/C命名:

    看完會發現這些聲學相機中間都有一個小型攝像機模組,但也有小夥伴可能會有疑問,A裝置陣型明顯是螺旋陣,B、C看起來不像啊?是什麼陣型呢?

    其實都是螺旋陣,只是採用了不同的設計引數產生的而已,看看下圖想必各位就一目瞭然了,下圖分別展示了A/B/C陣列的設計方式。

    圖中藍色的點是陣元的位置,可以看出三款聲學相機雖然外觀差異很大,但從陣型設計角度來看,仍然是完全遵循螺旋陣的設計規範的,只是所選的引數不同而已。

    由此我們可以看出,以螺旋陣為代表的非均勻陣列,確實是目前絕大多數聲學相機廠家所選擇的設計規範,這也決定了聲學相機的外觀。

    彩色等高圖譜

    這個詞聽起來一定很耳熟吧,等高圖譜?沒錯,就是我們前幾篇所介紹的陣列採用波束形成技術計算的波束圖投影到二維平面上所形成的等高線圖。

    聲場圖與可見光的影片影象的完美疊加

    彩色等高圖譜是介紹出來了,可怎麼和可見光的影片影象疊加呢?其實就是座標系之間的轉換,把等高圖譜的每一個方位點與照片畫素一一對應,並採用透明的畫法繪製上去就可以了。這裡我們詳細拆分介紹下(具體的原理細節我們不做闡釋),還是來點直觀的圖。

    我們一般攝像機模組的成像區域是下圖所示:

    圖中的可視區域是矩形的,因為一般的鏡頭都採用矩形的光敏元器件(所以我們平常看的相機畫面,包括手機/攝像機的畫面,都是矩形的)。

    而一般的聲吶陣列的成像區域則如下圖所示:

    當我們把攝像機模組安裝在聲吶陣列的中心時,兩者保持了同軸同中心,則如下圖所示:

    擷取彩色值較高的一部分顯示,那麼在可視區域的成像效果就如下圖:

    到這裡,相信大家基本瞭解聲學相機的基本原理了,並沒有那麼神秘哦。

    聲學相機本質上不是一個新鮮的東西,早在上世紀70年代,國外就已經出現了相關的應用,但是早期裝置進口成本較高,截至目前,進口的聲學相機的價格仍然高達數十萬元,這也進一步限制了它在各行各業的大規模應用。

    近年來,隨著國內技術水平的飛速發展,以及工業監測領域的應用需求,聲學相機也逐漸在向著中國產化的方向發展。相比國外進口產品,中國產聲學相機效能穩定,造價更低,也更加靈活自主。

    以後我們也將圍繞最近很火的聲學檢測技術的應用,陸續撰文來展開介紹。

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