【摘 要】
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声源定位在军事和民用领域具有广泛的应用和无可替代的价值,采用麦克风的声源定位技术是最主要的定位方法之一,但麦克风不具备遥感能力,不能抗电磁和射频干扰。光纤光栅分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing based on Fiber Bragg Grating,FBG-DAS）技术因为具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰和分布式远距离传感等优势,在某些领域已经替代传统麦克风
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（No.61735013）:智能轨道交通安全监测光纤传感基础研究；
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声源定位在军事和民用领域具有广泛的应用和无可替代的价值,采用麦克风的声源定位技术是最主要的定位方法之一,但麦克风不具备遥感能力,不能抗电磁和射频干扰。光纤光栅分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing based on Fiber Bragg Grating,FBG-DAS）技术因为具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰和分布式远距离传感等优势,在某些领域已经替代传统麦克风成为主流的声学检测手段。然而,基于光时域反射技术的FBG-DAS传感方法仅能实现声源在光纤径向上的位置锁定,而无法获取声源距光纤的偏移距离和具体方位,在要求获知声源具体位置的应用场景无法满足需求。针对以上问题,本文基于FBG-DAS提出一种新的声源定位方法,通过研究光纤相位调制原理和声学波动方程建立适用于FBG-DAS系统的信号处理模型,实现FBG-DAS系统对声源方位的感知,进而完成声源的三维坐标定位。主要研究内容如下:（1）光纤光栅分布式声学传感系统的研究。基于光纤应力应变模型研究FBG-DAS的声波-相位调制原理,并推导其声学感知数学模型;研究传感系统的相位解调原理,并根据光时域反射技术区分不同传感单元采集的声信号;利用FBG阵列搭建实验平台,分别测试系统的频率响应特性、幅度响应特性、声音还原效果以及多传感单元对声音信号的检测能力和响应同步性。（2）信号处理模型构建和单频声源测向研究。根据声学波动方程和光纤声学信号感知原理,推导基于FBG-DAS传感系统的阵列信号处理模型,并重定义部分阵列基本参数,利用仿真分析阵列参数对阵列性能的影响。研究常见单频声波信号一维波达方向角（Direction of Arrival,DOA）估计算法,通过仿真比较分析,选择合适的DOA估计算法。根据系统对声信号的响应特性提出基于FBG-DAS系统的DOA估计算法处理流程,实现单频声源的测向功能。最后,采用光纤光栅阵列构建传感阵列,验证阵列模型的有效性和算法处理流程的正确性。（3）多频宽带声源测向及声源空间位置估计方法研究。信号处理模型随着声源频率发生变化,无法使用单频声源测向方法实现多频宽带声源测向;针对不同传感单元存在不同响应灵敏度问题,研究适用于系统的宽带声源DOA估计算法,实现宽带声源的一维测向功能。研究基于L型阵列的二维DOA估计算法,根据DOA估计结果,提出一种双L型阵列实现对声源空间三维坐标的定位方法。最后,构建双L型FBG-DAS声学传感阵列验证定位方法的可行性。
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