基于压缩感知的压缩气体泄漏声源DOA估计研究

摘要

压缩气体泄漏不仅会造成严重的经济损失和能源浪费，还会给人民的生命财产安全带来巨大危害。因此，对压缩气体泄漏的检测与定位具有重要意义。目前人们常用手持超声检测设备来获得泄漏方位，该方法极大地依赖于人工操作，难以实现实时全面的检测，还会威胁检测人员的生命安全。而现有基于麦克风阵列的压缩气体泄漏声源波达方向（Direction of Arrival, DOA）估计方法采样率高，数据量大，计算复杂，在实际应用中受限。
　　为克服现有方法存在的问题，本文采用一种压缩感知和麦克风阵列信号处理相结合的方法实现压缩气体泄漏声源的DOA估计。首先，根据压缩气体泄漏的声源特性和麦克风阵列远场与近场划分公式，将远场与近场的划分界限设定为10m，并将麦克风阵列的口径限制为不超过20cm。其次，基于压缩方位估计（Compressive Bearing Estimation, COBE）方法构建压缩气体泄漏声源DOA估计的数学模型，将COBE方法的应用由低频声源拓展到高频声源，并采用子空间追踪（Subspace Pursuit, SP）算法求解DOA估计结果。仿真结果表明该方法能够通过少量的采样数据，实现一个或多个压缩气体泄漏声源的准确DOA估计。另外，详细分析了麦克风阵列布局、空间角度划分密度以及参考麦克风（Reference Microphone, RM）采样频率对COBE方法DOA估计性能及其适用声源角度范围的影响，对原始COBE方法的分析进行了补充。仿真结果充分验证了本文参数分析的正确性。
　　此外，针对原始COBE方法难以对模拟信号进行直接压缩测量，以及其测量矩阵带来的存储量与运算量大的缺点，本文提出一种改进的 COBE方法——直接非均匀随机欠采样压缩方位估计（ Direct Non-uniform Random Sub-sampling- Compressive Bearing Estimation, DNRS-COBE）方法。该方法设计了一种直接非均匀随机欠采样方案，无需改变原始采样的硬件系统，只需重新设计采样时钟，就能实现对模拟信号的直接压缩测量。另外，构造了与采样方案相对应的等效测量矩阵，矩阵中仅有少量元素为1，大多数元素为0。通过对等效测量矩阵和原始COBE方法的测量矩阵进行蒙特卡洛仿真以及相关性仿真，验证了二者均满足约束等距性（ Restricted Isometry Property, RIP）条件和互不一致性（Mutual Incoherence Property, MIP）条件。再者，对不同测量矩阵的存储量与运算量进行对比，结果表明等效测量矩阵相较于其他测量矩阵需要更少的存储量与运算量。最后，对基于DNRS-COBE的压缩气体泄漏声源DOA估计方法进行仿真，仿真结果充分验证了DNRS-COBE方法的准确性与有效性，与原始COBE方法相比，该方法能够通过更少的测量数据实现准确的DOA估计。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容与结构安排

第二章 基本理论概述

2.1压缩气体泄漏声源

2.2麦克风阵列

2.3压缩感知基本理论

2.4本章小结

第三章 基于COBE的压缩气体泄漏声源DOA估计

3.1引言

3.2 COBE方法的数学模型

3.3参数分析

3.4仿真与分析

3.5本章小结

第四章 基于DNRS-COBE的压缩气体泄漏声源DOA估计

4.1引言

4.2基于压缩感知的模拟信号随机观测

4.3 DNRS-COBE方法

4.4仿真与分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

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