本發(fā)明屬于氣體泄漏檢測(cè)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Acoustic Sensor Network)背景下壓縮氣體泄漏的聲源方位估計(jì)方法。本發(fā)明利用壓縮采樣方法減少無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中麥克風(fēng)的采樣率與采樣數(shù)目，可以在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中準(zhǔn)確估計(jì)出壓縮氣體泄漏的聲源方位。

背景技術(shù)：

壓縮氣體泄漏會(huì)產(chǎn)生的高于人耳感知的超聲波，根據(jù)超聲波傳播所具有的良好的方向性，能夠獲得壓縮氣體泄漏的聲源方位。利用壓縮氣體泄漏的超聲特性進(jìn)行壓縮氣體泄漏聲源的方位估計(jì)，具有很高的靈敏度與準(zhǔn)確性。

北京愛社時(shí)代科技發(fā)展有限公司在其提出的專利申請(qǐng)文件“一種基于時(shí)差定位原理的氣體泄漏點(diǎn)掃描儀”(申請(qǐng)?zhí)枺篊N201210000118.5，公開號(hào)：CN102539084A)中公開了一種基于時(shí)差定位原理、高定位精度的壓縮氣體泄漏點(diǎn)的方位指示方法。該方法基于時(shí)差定位原理，檢測(cè)部分采用三個(gè)超聲傳感器并排列成等邊三角形，計(jì)算泄漏點(diǎn)超聲波信號(hào)到達(dá)三個(gè)超聲傳感器兩兩之間的時(shí)間差，進(jìn)而判斷出泄漏點(diǎn)相對(duì)于等邊三角形中心的位置，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏點(diǎn)的方位指示。該方法雖然提高了壓縮氣體泄漏聲源方位估計(jì)的準(zhǔn)確性，但是，該方法仍然存在的不足之處是：需要工作人員在待檢測(cè)部位近距離定期巡檢，難以檢測(cè)到人員不易到達(dá)的區(qū)域，檢測(cè)不全面；此外，在發(fā)生易燃易爆或者有毒氣體泄漏時(shí)，工作人員的生命安全會(huì)受到威脅。

Jan Steckel,Herbert Peremans在其發(fā)表的論文“Ultrasound-based Air Leak Detection using a Random Microphone Array and Sparse Representations”(《SENSORS》，2014IEEE,pp:1026-1029)中提出了一種利用隨機(jī)麥克風(fēng)陣列和稀疏表示進(jìn)行壓縮氣體泄漏的聲源方位估計(jì)方法。該方法將空間角度進(jìn)行均勻劃分，根據(jù)聲源在空間角度的稀疏性對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，最后用L1重構(gòu)算法求解得到泄漏聲源的方位。該方法雖然應(yīng)用稀疏表示方法準(zhǔn)確得到了壓縮氣體泄漏的聲源方位，但是，該方法仍然存在的不足之處是：每一個(gè)麥克風(fēng)均需要以高采樣率采樣大量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致該方法所需存儲(chǔ)量大，運(yùn)算速度較慢，且硬件上難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)下壓縮氣體泄漏的聲源方位估計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中選擇參考麥克風(fēng)與壓縮采樣麥克風(fēng)，其中參考麥克風(fēng)以高采樣頻率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)采樣，壓縮采樣麥克風(fēng)進(jìn)行低速的壓縮采樣；將一維空間角度均勻劃分后利用參考麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量構(gòu)造稀疏基矩陣；利用壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣時(shí)刻構(gòu)造測(cè)量矩陣；通過求解優(yōu)化問題獲得壓縮氣體泄漏的聲源方位值。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體步驟如下：

(1)布局麥克風(fēng)陣列：

將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的麥克風(fēng)陣列均設(shè)定為含有L個(gè)麥克風(fēng)，陣元間距為d的均勻線性陣列；

(2)選擇參考麥克風(fēng)與壓縮采樣麥克風(fēng)：

從無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的麥克風(fēng)陣列中，任意選擇一個(gè)麥克風(fēng)，作為參考麥克風(fēng)，將其余麥克風(fēng)作為壓縮采樣麥克風(fēng)；

(3)標(biāo)準(zhǔn)采樣：

在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，參考麥克風(fēng)以F_s＝500KHz的采樣頻率對(duì)壓縮氣體泄漏產(chǎn)生的聲源信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)采樣，得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中參考麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，其中，F(xiàn)_s表示參考麥克風(fēng)的采樣頻率；

(4)壓縮采樣：

(4a)采用中心極限定理法，生成無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)間間隔；

(4b)按照采樣時(shí)刻公式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)刻；

(4c)在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)在與其對(duì)應(yīng)的每一個(gè)采樣時(shí)刻，對(duì)壓縮氣體泄漏產(chǎn)生的聲源信號(hào)進(jìn)行采樣，得到無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量；

(5)構(gòu)造稀疏基矩陣：

(5a)將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的一維空間角度，以間隔1°均勻劃分為181個(gè)空間角度，在每一個(gè)空間角度設(shè)定一個(gè)虛擬聲源；

(5b)按照時(shí)間差公式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的每一個(gè)虛擬聲源信號(hào)，分別到達(dá)該節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)與到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間差

(5c)按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣的每一個(gè)列向量：

其中，D_qij表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣中，第j個(gè)空間角度所對(duì)應(yīng)的列向量，表示在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，對(duì)參考麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量取元素操作，r表示取整操作，Δ_qij表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的來(lái)自第j個(gè)空間角度的虛擬聲源信號(hào)分別到達(dá)該節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)與到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間差，K_q表示在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，參考麥克風(fēng)在壓縮采樣麥克風(fēng)采樣的時(shí)間段內(nèi)的采樣總數(shù)，T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作；

(5d)按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣：

D_qi＝[D_qi0,D_qi1,...,D_qi180]

其中，D_qi表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣；

(5e)按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的稀疏基矩陣：

其中，Ψ_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的稀疏基矩陣；

(6)構(gòu)造測(cè)量矩陣：

(6a)按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的列序號(hào)：

其中，u_qi(m)表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的第m個(gè)采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的列序號(hào)，τ_qim表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的第m個(gè)采樣時(shí)刻與第m-1個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔值；

(6b)按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣中的每一個(gè)元素：

其中，G_qi(m,n)表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣中，第m個(gè)采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的行中的第n個(gè)元素；

(6c)按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣：

Φ_q＝diag{G_q1,G_q2,...,G_q(L-1)}

其中，Φ_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣，diag{·}表示構(gòu)造塊對(duì)角矩陣操作，G_q1表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣，G_q2表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第2個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣，G_q(L-1)表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第L-1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣；

(7)獲得壓縮氣體泄漏的聲源方位：

(7a)按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)矢量：

其中，β_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第2個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第L-1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量；

(7b)按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的感知矩陣：

A_q＝Φ_qΨ_q

其中，A_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的感知矩陣；

(7c)按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的方位模式矢量：

min||b_q||₁ s.t.||β_q-A_qb_q||₂＜ε

其中，min表示求最小值操作，||·||₁表示求1范數(shù)操作，b_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方位模式矢量，s.t.表示條件符號(hào)，||·||₂表示求2范數(shù)操作，ε表示一個(gè)大于0的常數(shù)；

(7d)將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中得到的方位模式矢量中非零元素所在位置的序號(hào)減1，用其值作為該節(jié)點(diǎn)的壓縮氣體泄漏聲源方位的角度值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

第一，由于本發(fā)明是在每一個(gè)無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中直接獲得壓縮氣體泄漏聲源的波達(dá)方向，克服了現(xiàn)有技術(shù)中需要工作人員在待檢測(cè)部位近距離定期巡檢所帶來(lái)的不全面，不安全的問題，使得本發(fā)明可以全面安全地實(shí)現(xiàn)壓縮氣體泄漏的聲源方位估計(jì)。

第二，由于本發(fā)明采用壓縮采樣方法，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)在采樣時(shí)間段內(nèi)僅需低速采樣少量的數(shù)據(jù)；此外，本發(fā)明采用構(gòu)造測(cè)量矩陣方法，將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣構(gòu)造為由0，1元素構(gòu)成的稀疏矩陣。本發(fā)明通過以上兩個(gè)操作，克服了現(xiàn)有技術(shù)中每一個(gè)麥克風(fēng)都需要以高采樣率采樣大量數(shù)據(jù)所導(dǎo)致的所需存儲(chǔ)量大，運(yùn)算較慢和硬件難以實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明具有所需存儲(chǔ)量小，實(shí)時(shí)性高和易于硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明對(duì)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖，其中，圖2(a)為本發(fā)明對(duì)1個(gè)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖，圖2(b)為本發(fā)明對(duì)2個(gè)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖，圖2(c)為本發(fā)明對(duì)3個(gè)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

參照?qǐng)D1，對(duì)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的具體步驟做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

步驟1.布局麥克風(fēng)陣列。

將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的麥克風(fēng)陣列均設(shè)定為含有L個(gè)麥克風(fēng)，陣元間距為d的均勻線性陣列，其中，麥克風(fēng)陣列的陣元數(shù)目為5≤L≤9，陣元間隔為2.5cm≤d≤5cm，陣元數(shù)目與陣元間隔滿足d·L≤20cm。

步驟2.選擇參考麥克風(fēng)與壓縮采樣麥克風(fēng)。

從無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的麥克風(fēng)陣列中，任意選擇一個(gè)麥克風(fēng)，作為參考麥克風(fēng)，將其余麥克風(fēng)作為壓縮采樣麥克風(fēng)。

步驟3.標(biāo)準(zhǔn)采樣。

在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，參考麥克風(fēng)以F_s＝500KHz的采樣頻率對(duì)壓縮氣體泄漏產(chǎn)生的聲源信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)采樣，得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中參考麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，其中，F(xiàn)_s表示參考麥克風(fēng)的采樣頻率。

步驟4.壓縮采樣。

采用中心極限定理法，生成無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)間間隔。中心極限定理法的具體步驟為，按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣時(shí)間間隔的均值：

其中，μ表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣時(shí)間間隔的均值，S₁表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有壓縮采樣麥克風(fēng)結(jié)束采樣的時(shí)刻，S₀表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有壓縮采樣麥克風(fēng)開始采樣的時(shí)刻，M表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣總數(shù)。

按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣時(shí)間間隔的方差：

其中，σ²表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣時(shí)間間隔的方差，P表示壓縮氣體泄漏的聲源總數(shù)。

在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生(L-1)(M-1)組長(zhǎng)度為30，均值為方差為的均勻分布隨機(jī)數(shù)序列，每一組隨機(jī)數(shù)序列與每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)。

按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)隨機(jī)采樣時(shí)間間隔：

其中，τ_qim表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的第m個(gè)采樣時(shí)刻與第m-1個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔值，∑表示求和操作，x_qimh表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的第m個(gè)采樣時(shí)刻與第m-1個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔值對(duì)應(yīng)的，均勻分布隨機(jī)數(shù)序列中的第h個(gè)隨機(jī)數(shù)。

按照t_qim＝t_qi(m-1)+τ_qim采樣時(shí)刻公式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)刻。其中，t_qim表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的第m個(gè)采樣時(shí)刻。

在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)在與其對(duì)應(yīng)的每一個(gè)采樣時(shí)刻，對(duì)壓縮氣體泄漏產(chǎn)生的聲源信號(hào)進(jìn)行采樣，得到無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量。

步驟5.構(gòu)造稀疏基矩陣：

將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的一維空間角度，以間隔1°均勻劃分為181個(gè)空間角度，在每一個(gè)空間角度設(shè)定一個(gè)虛擬聲源。

按照時(shí)間差公式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的每一個(gè)虛擬聲源信號(hào)，分別到達(dá)該節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)與到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間差。其中，Δ_qij表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的來(lái)自第j個(gè)空間角度的虛擬聲源信號(hào)分別到達(dá)該節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)與到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間差，cos表示余弦操作，θ_qj表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第j個(gè)空間角度的角度值，c表示聲速。

按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣的每一個(gè)列向量：

其中，D_qij表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣中，第j個(gè)空間角度所對(duì)應(yīng)的列向量，表示在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，對(duì)參考麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量取元素操作，r表示取整操作，K_q表示在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，參考麥克風(fēng)在壓縮采樣麥克風(fēng)采樣的時(shí)間段內(nèi)的采樣總數(shù)，T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作。

按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣：

D_qi＝[D_qi0,D_qi1,...,D_qi180]

其中，D_qi表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的子稀疏基矩陣。

按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的稀疏基矩陣：

其中，Ψ_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的稀疏基矩陣。

步驟6.構(gòu)造測(cè)量矩陣。

按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的每一個(gè)采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的列序號(hào)：

其中，u_qi(m)表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的第m個(gè)采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的列序號(hào)。

按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣中的每一個(gè)元素：

其中，G_qi(m,n)表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第i個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣中，第m個(gè)采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的行中的第n個(gè)元素。

按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣：

Φ_q＝diag{G_q1,G_q2,...,G_q(L-1)}

其中，Φ_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣，diag{·}表示構(gòu)造塊對(duì)角矩陣操作，G_q1表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣，G_q2表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第2個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣，G_q(L-1)表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第L-1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)次采樣矩陣。

步驟7.獲得壓縮氣體泄漏的聲源方位：

按照下式，構(gòu)造無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)矢量：

其中，β_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第2個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量，表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)中的第L-1個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣數(shù)據(jù)矢量。

按照下式，計(jì)算無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的感知矩陣：

A_q＝Φ_qΨ_q

其中，A_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的感知矩陣。

按照下式，在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，計(jì)算方位模式矢量：

min||b_q||₁ s.t.||β_q-A_qb_q||₂＜ε

其中，min表示求最小值操作，||·||₁表示求1范數(shù)操作，b_q表示無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的第q個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方位模式矢量，s.t.表示條件符號(hào)，||·||₂表示求2范數(shù)操作，ε表示一個(gè)大于0的常數(shù)。

將無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中得到的方位模式矢量中，非零元素所在位置的序號(hào)減1，用其值作為該節(jié)點(diǎn)得到的壓縮氣體泄漏聲源方位的角度值。

本發(fā)明的效果可以通過以下仿真實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步說(shuō)明。

1.仿真條件：

本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)是在Pentium(R)Dual-core CPU E5800@3.20GHz,32位Windows7系統(tǒng)下，Matlab R2014a運(yùn)行平臺(tái)上完成的。

2.仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：

本發(fā)明參數(shù)設(shè)置如下，無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的均勻線性陣列陣元總數(shù)為7，陣元間距為0.03m，其中，參考麥克風(fēng)的采樣頻率為500KHz，從0.1s開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)采樣，每一個(gè)壓縮采樣麥克風(fēng)的采樣總數(shù)為20，從參考麥克風(fēng)采樣后的0.3s開始進(jìn)行壓縮采樣，壓縮采樣時(shí)長(zhǎng)為4ms，信噪比為20dB，仿真均運(yùn)行100次。采用泄漏孔直徑為1mm，1.5mm的不同壓縮氣體泄漏的聲音wav文件作為聲源進(jìn)行仿真。

圖2為本發(fā)明對(duì)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖。

圖2(a)為本發(fā)明對(duì)1個(gè)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖。其中，壓縮氣體泄漏孔的直徑為1.5mm，方位角度為54°。圖2(a)中顯示的是本發(fā)明進(jìn)行100次方位估計(jì)的平均結(jié)果圖，其中，圖2(a)橫坐標(biāo)表示角度，縱坐標(biāo)表示比例參數(shù)。由圖2(a)可見，本發(fā)明可以準(zhǔn)確地獲得1個(gè)壓縮氣體泄漏的聲源方位，正確率達(dá)100％。

圖2(b)為本發(fā)明對(duì)2個(gè)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖。其中，壓縮氣體泄漏孔的直徑分別為1.5mm和1mm，方位角度分別為60°和123°。圖2(b)中顯示的是本發(fā)明進(jìn)行100次方位估計(jì)的平均結(jié)果圖，其中，圖2(b)橫坐標(biāo)表示角度，縱坐標(biāo)表示比例參數(shù)。由圖2(b)可見，本發(fā)明可以準(zhǔn)確地獲得2個(gè)壓縮氣體泄漏的聲源方位，正確率達(dá)100％。

圖2(c)為本發(fā)明對(duì)3個(gè)壓縮氣體泄漏聲源進(jìn)行方位估計(jì)的仿真圖。其中，壓縮氣體泄漏孔的直徑分別為1.5mm，1.5mm和1mm，方位角度分別為45°，60°和123°。圖2(c)中顯示的是本發(fā)明進(jìn)行100次方位估計(jì)的平均結(jié)果圖，其中，圖2(c)橫坐標(biāo)表示角度，縱坐標(biāo)表示比例參數(shù)。由圖2(c)可見，本發(fā)明可以較準(zhǔn)確地獲得3個(gè)壓縮氣體泄漏的聲源方位，正確率達(dá)88％。

綜上所述，本發(fā)明采用無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)下壓縮氣體泄漏的聲源方位估計(jì)方法，可以在無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中直接獲得準(zhǔn)確的壓縮氣體泄漏聲源的方位，克服了現(xiàn)有技術(shù)中需要工作人員在壓縮氣體泄漏部位近距離定期巡檢帶來(lái)的不全面不安全的問題；本發(fā)明采用壓縮采樣方法和構(gòu)造測(cè)量矩陣方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的每個(gè)麥克風(fēng)均需要高速采樣大量數(shù)據(jù)所帶來(lái)的所需存儲(chǔ)量大，運(yùn)算速度慢和硬件難以實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，具有所需存儲(chǔ)量小，實(shí)時(shí)性高和硬件易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。