本发明公开了波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法及系统，其方法包括步骤：S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；S2、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；S3、基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；S4、基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号。可在确定声源位置后对声源进行波束形成聚焦，并通过最大似然检测方法，判断声源中是否存在强冲击信号，避免虚警现象，检测可靠度高、鲁棒性强。
1.波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，包括步骤：S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
S2、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；
S3、基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；
S4、基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号；
S4.2、计算仅有噪声时，n个样本值的一维概率密度；
S4.3、基于一维概率密度，推导得到仅有噪声时，n个样本值的第一联合概率密度；
S4.4、基于一维概率密度，推导得到存在冲击信号时，n个样本值的第二联合概率密度；
S4.5、基于第一联合概率密度、第二联合概率密度，计算得到似然比函数；
S4.6、判断似然比函数是否大于检测阈值，若大于则判断为存在冲击信号，否则判断为不存在。
2.根据权利要求1所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S1中，包括步骤：S1.1、以麦克风阵列的中心为参考中心，计算得到各阵元接收声源信号的时间延迟；
S1.2、根据各阵元接收声源信号的时间延迟，得到各阵元接收声源信号的相位移动；
S1.3、根据各阵元接收声源信号的相位移动，得到各阵元的阵列流型矩阵。
3.根据权利要求2所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S1.1中，采用二维平面的麦克风阵列，各阵元接收声源信号的时间延迟，计算公式为：
其中， 和 分别表示声源信号相对于 平面、 平面的入射角度， 表示声速，和 分别表示第 号阵元的 方向坐标和 方向坐标， ， 表示阵元个数。
4.根据权利要求3所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S1.2中，各阵元接收声源信号的相位移动，计算公式为：（2），
5.根据权利要求4所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S1.3中各阵元的阵列流型矩阵为：（3），
其中， 表示 维的离散角度， 表示 维的离散角度， ，， 表示 维网格个数， 表示 维网格个数。
6.根据权利要求5所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S2中，包括步骤：S2.1、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布：（4），
其中， 表示处理频带下限， 表示处理频带上限， 为 号阵元的接收信号经过傅里叶变换的频域表示；
S2.2、基于空间能量分布，并通过极大值扫描以确定声源信号的空间位置 。
7.根据权利要求6所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S3中，包括步骤：S3.1、将麦克风阵列指向空间位置 ，以得到波束聚焦信号，计算公式为：（5）；
S3.2、对波束聚焦信号进行逆傅里叶变换，以获取声源信号经过时频域增强过的增强声源信号，计算公式为：
8.根据权利要求7所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，
步骤S4.2中，一维概率密度，计算公式为：（8），
其中， 表示第i个样本点， 表示噪声信号， 表示噪声功率；
步骤S4.3中，第一联合概率密度,计算公式为：（9），
步骤S4.4中，第二联合概率密度,计算公式为：（10），
其中， 表示第二联合概率密度， 表示冲击信号， 表示冲击信号功率。
9.根据权利要求8所述的波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，其特征在于，步骤S4.5中，似然比函数为：（11）。
10.波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测系统，基于权利要求1‑9任一项所述的检测方法，其特征在于，包括依次联接的矩阵构造模块、定位模块、信号增强模块、判断模块；
矩阵构造模块，用于计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
定位模块，用于基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；
信号增强模块，用于基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；
判断模块，用于基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号。
波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于冲击信号检测技术领域，具体涉及波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法及系统。
背景技术
[0002] 声学成像（acoustic imaging）是基于传声器阵列测量技术，通过测量一定空间内的声波到达各传声器的信号相位差异，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，
并以图像的方式显示声源在空间的分布，即取得空间声场分布云图－声像图，其中以图像
的颜色和亮度代表强弱。可见 目前对于声源位置的定位研究已较为成熟，但对于声源性质
的判断，目前研究较少，进而造成强冲击信号检测出现虚警现象，检测可靠度低。
[0003] 例如公开号为CN113126028A的中国专利，其公开了一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法。其选取M个麦克风传感器构建环形麦克风阵列，设置一麦克风传感器作为参
考麦克风传感器，以该参考麦克风传感器建立阵列坐标系，其余M—1个麦克风传感器环绕
参考麦克风传感器设置，并在舱室内设置D个声源；获取D个声源到各麦克风传感器的相对
传递函数，并构建环形麦克风阵列的阵列流型矩阵；进一步引入声源与参考麦克风传感器
的直线距离、声源相对于参考麦克风传感器的方位角和声源频率构建阵列流型近场模型；
采用MUSIC算法估算各声源相对于参考麦克风传感器的方位角；在舱室内预设两个以上相
同的环形麦克风阵列，估算声源相对于每个环形麦克风阵列相对于参考麦克风传感器的方
位角，总体运用最小二乘法求解声源到各环形麦克风阵列的距离，进而获取声源位置信息，
但是其并未针对该声源的性质进行判断，即在确定声源位置后，如何区分该声源为噪音还
是强冲击信号，并未给出相应的方案。
[0004] 因此亟需一种方案，能够避免噪音干扰，稳定可靠的检测金属碰撞、供电线放电等短时强冲击信号。
发明内容
[0005] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法及系统，不仅可确定声源位置，还可在确定声源位置后判断声源中是否存在
强冲击信号，排除噪声的干扰，避免强冲击信号检测出现虚警现象，检测可靠度高、鲁棒性
强。
[0006] 本发明采用以下技术方案：
[0007] 波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，包括步骤：
[0008] S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
[0009] S2、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；
[0010] S3、基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；
[0011] S4、基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号。
[0012] 作为优选方案，步骤S1中，包括步骤：
[0013] S1.1、以麦克风阵列的中心为参考中心，计算得到各阵元接收声源信号的时间延迟；
[0014] S1.2、根据各阵元接收声源信号的时间延迟，得到各阵元接收声源信号的相位移动；
[0015] S1.3、根据各阵元接收声源信号的相位移动，得到各阵元的阵列流型矩阵。
[0016] 作为优选方案，步骤S1.1中，采用二维平面的麦克风阵列，各阵元接收声源信号的时间延迟，计算公式为：
[0017] （1），
[0018] 其中， 和 分别表示声源信号相对于 平面、 平面的入射角度， 表示声速， 和 分别表示第 号阵元的 方向坐标和 方向坐标， ， 表示阵
元个数。
[0019] 作为优选方案，步骤S1.2中，各阵元接收声源信号的相位移动，计算公式为：
[0020] （2），
[0021] 其中， 表示信号频率， 表示虚数算子。
[0022] 作为优选方案，步骤S1.3中各阵元的阵列流型矩阵为：
[0023] （3），
[0024] 其中， 表示 维的离散角度， 表示 维的离散角度， ，， 表示 维网格个数， 表示 维网格个数。作为优选方案，步骤S2中，包括
步骤：
[0025] S2.1、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布：
[0026] （4），
[0027] 其中， 表示处理频带下限， 表示处理频带上限， 为 号阵元的接收信号经过傅里叶变换的频域表示；
[0028] S2.2、基于空间能量分布，并通过极大值扫描以确定声源信号的空间位置 。
[0029] 作为优选方案，步骤S3中，包括步骤：
[0030] S3.1、将麦克风阵列指向空间位置 ，以得到波束聚焦信号，计算公式为：
[0031] （5）；
[0032] S3.2、对波束聚焦信号进行逆傅里叶变换，以获取声源信号经过时频域增强过的增强声源信号，计算公式为：
[0033] （6）。
[0034] 作为优选方案，步骤S4中，包括步骤：
[0035] S4.1、获取增强声源信号中的n个样本值；
[0036] S4.2、计算仅有噪声时，n个样本值的一维概率密度，计算公式为：
[0037] （8），
[0038] 其中， 表示第i个样本点， 表示噪声信号， 表示噪声功率；
[0039] S4.3、由式（8）推导得到仅有噪声时，n个样本值的第一联合概率密度,计算公式为：
[0040] （9），
[0041] 其中， 表示第一联合概率密度；
[0042] S4.4、由式（8）推导得到存在冲击信号时，n个样本值的第二联合概率密度,计算公式为：
[0043] （10），
[0044] 其中， 表示第二联合概率密度， 表示冲击信号， 表示冲击信号功率；
[0045] S4.5、基于式（9）、（10），计算得到似然比函数；
[0046] S4.6、判断似然比函数是否大于检测阈值，若大于则判断为存在冲击信号，否则判断为不存在。
[0047] 作为优选方案，步骤S4.5中，似然比函数为：
[0048] （11）。
[0049] 相应地，还提供了波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测系统，基于上述的检测方法，包括依次联接的矩阵构造模块、定位模块、信号增强模块、判断模块；
[0050] 矩阵构造模块，用于计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
[0051] 定位模块，用于基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；
[0052] 信号增强模块，用于基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；
[0053] 判断模块，用于基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号。
[0054] 本发明的有益效果是：
[0055] 不仅可确定声源位置，还可在确定声源位置后对声源进行波束形成聚焦，并通过最大似然检测方法，判断声源中是否存在强冲击信号，即采用了空间域和时间域的联合检
测，排除噪声的干扰，避免强冲击信号检测出现虚警现象，检测可靠度高、鲁棒性强。
附图说明
[0056] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0057] 图1是本发明所述波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法的流程图；
[0058] 图2是二维麦克风阵列几何结构示意图；
[0059] 图3是空间能量分布示意图；
[0060] 图4是波束聚焦增强结果示意图；
[0061] 图5是本发明所述波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0062] 以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体
实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背
离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实
施例中的特征可以相互组合。
[0063] 实施例一：
[0064] 参照图1，本实施例提供了波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测方法，包括步骤：
[0065] S1、计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
[0066] S2、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；
[0067] S3、基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；
[0068] S4、基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号。
[0069] 可见，本发明不仅可确定声源位置，还可在确定声源位置后对声源进行波束形成聚焦，并通过最大似然检测方法，判断声源中是否存在强冲击信号，即采用了空间域和时间
域的联合检测，排除噪声的干扰，避免强冲击信号检测出现虚警现象，检测可靠度高、鲁棒
性强。可有效的检测金属碰撞、供电线放电等短时强冲击信号。
[0070] 具体地：
[0071] 考虑二维平面的麦克风阵列，麦克风阵元分布在xy平面上。在平面波假设下，声源以一定的角度入射到麦克风阵列中，声波传播到每个麦克风阵元的时间各不相同。且考虑
窄带信号或宽带信号频域处理，声源信号的时间延迟即信号的相位移动。因此，步骤S1中，
包括步骤：
[0072] S1.1、以麦克风阵列的中心为参考中心，计算得到各阵元接收声源信号的时间延迟，计算公式为：
[0073] （1），
[0074] 其中， 和 分别表示声源信号相对于 平面、 平面的入射角度， 表示声速， 和 分别表示第 号阵元的 方向坐标和 方向坐标， ， 表示阵
元个数，具体可参照图2所示。
[0075] S1.2、根据各阵元接收声源信号的时间延迟，得到各阵元接收声源信号的相位移动，计算公式为：
[0076] （2），
[0077] 其中， 表示信号频率， 表示虚数算子。
[0078] S1.3、根据各阵元接收声源信号的相位移动，得到各阵元的阵列流型矩阵，如下所示：
[0079] （3），
[0080] 其中，将二维空间网格化可以得到离散的二维角度， 表示 维的离散角度，表示 维的离散角度， ， ， 表示 维网格个数， 表示
维网格个数。
[0081] 波束形成是一种空域滤波方法，可以获得空间某方向的增强信号，已知阵列流型矩阵，通过波束形成的空间扫描，可以获得目标方位角度。
[0082] 步骤S2中，包括步骤：
[0083] S2.1、基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布（参照图3所示）：
[0084] （4），
[0085] 其中， 表示处理频带下限， 表示处理频带上限， 为 号阵元的接收信号经过傅里叶变换的频域表示；
[0086] S2.2、基于空间能量分布，并通过极大值扫描以确定声源信号的空间位置 。
[0087] 假设通过第二步计算得到了声源信号在空间的位置为 ，通过波束形成聚焦可以获得声源信号的高信噪比信号，因此步骤S3中，包括步骤：
[0088] S3.1、将麦克风阵列指向空间位置 ，以得到波束聚焦信号，计算公式为：
[0089] （5）；
[0090] S3.2、对波束聚焦信号进行逆傅里叶变换，以获取声源信号经过时频域增强过的增强声源信号，参照图4所示，图中振幅大的部分即为增强声源信号，振幅小的部分即为原
始脉冲声源信号，计算公式为：
[0091] （6）。
[0092] 最大似然检测方法用于检测时频域增强过的增强声源信号，将 表示噪声信号， 表示冲击信号。这样，可形成两个判决事件：
[0093] （7）
[0094] 冲击信号和噪声信号都可以假设为遵从高斯分布的平稳随机信号。
[0095] 因此，步骤S4中具体包括以下步骤：
[0096] S4.1、获取增强声源信号中的n个样本值， ；
[0097] S4.2、计算仅有噪声时，n个样本值的一维概率密度，计算公式为：
[0098] （8），
[0099] 其中， 表示第i个样本点， 表示噪声功率；
[0100] S4.3、由式（8）推导得到仅有噪声时，n个样本值的第一联合概率密度,计算公式为：
[0101] （9），
[0102] 其中， 表示第一联合概率密度；
[0103] S4.4、由式（8）推导得到存在冲击信号时，n个样本值的第二联合概率密度,计算公式为：
[0104] （10），
[0105] 其中， 表示第二联合概率密度， 表示冲击信号， 表示冲击信号功率；
[0106] S4.5、基于式（9）、（10），计算得到似然比函数，似然比函数为：
[0107] （11）。
[0108] S4.6、当似然比函数大于一定值的情况下，可以认为 事件成立：
[0109] （12）
[0110] 令
[0111] （13）
[0112] 当
[0113] （14）
[0114] 认为 事件发生，即存在冲击信号。
[0115] 当
[0116] （15）
[0117] 认为 事件发生，即不存在冲击信号。 、 均表示检测阈值，通过控制 的大小，可以调整冲击信号的检测概率和虚警概率，提高了检测可靠度高，鲁棒性强。
[0118] 实施例二：
[0119] 参照图5，本实施例,提供波束聚焦增强的强冲击信号空时域联合检测系统，基于实施例一所述的检测方法，包括依次联接的矩阵构造模块、定位模块、信号增强模块、判断
模块；
[0120] 矩阵构造模块，用于计算麦克风阵列中每个阵元相对于阵列中心接收声源信号的时间延迟，从而构造阵列流型矩阵；
[0121] 定位模块，用于基于阵列流型矩阵，并通过波束形成空间扫描以获得空间能量分布，进而确定声源信号位置；
[0122] 信号增强模块，用于基于声源信号位置、麦克风阵列，进行波束形成聚焦，以获取声源信号经过时频域增强的增强声源信号；
[0123] 判断模块，用于基于增强声源信号，并通过最大似然检测方法计算得到似然比函数，根据似然比函数判断增强声源信号中是否存在冲击信号。
[0124] 需要说明的是，本实施例提供的一种聚焦增强时频域的强冲击信号检测系统，与实施例一类似，在此不多做赘述。
[0125] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方
案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。
