声源定位和GPS模拟.ppt

声源定位和声源定位和GPSGPS模拟模拟l实验及应用背景介绍实验及应用背景介绍l实验目的和教学要求实验目的和教学要求l实验原理实验原理l实验仪器介绍实验仪器介绍l课堂思考课堂思考l选做实验选做实验声源定位和声源定位和GPSGPS模拟模拟实验及应用背景介绍实验及应用背景介绍 声源定位和声源定位和GPSGPS技术，是利用波在技术，是利用波在 传播过程中时间坐标和空间坐标的关联，传播过程中时间坐标和空间坐标的关联， 可以获得许多重要信息，从而进行地震可以获得许多重要信息，从而进行地震 学的研究、全球定位和无损检测中的声学的研究、全球定位和无损检测中的声 发射等声源定位：声源定位： 在周围媒质性质给定的条件下，根据在有在周围媒质性质给定的条件下，根据在有 限时间内几个位置的响应来反推出源的性质限时间内几个位置的响应来反推出源的性质GPSGPS技术：技术： 通过导航卫星发出的电磁波信号来确定用通过导航卫星发出的电磁波信号来确定用 户在地球坐标系中的位置户在地球坐标系中的位置声源定位和声源定位和GPSGPS模拟模拟 本实验是在二维平面上，模拟声源定位和本实验是在二维平面上，模拟声源定位和GPSGPS技术。

技术 l电声转换和超声波的发生、接收电声转换和超声波的发生、接收l声波传播特性的观察和测量声波传播特性的观察和测量l实验数据的计算机采集、通讯和处理实验数据的计算机采集、通讯和处理实验目的和教学要求实验目的和教学要求1 1．声源定位．声源定位 实验原理实验原理（声源定位原理）（声源定位原理） （声源位置的坐标）（声源位置的坐标）l发声源坐标为（发声源坐标为（X,YX,Y）） ，，极坐标为（极坐标为（r,θr,θ） 接收传感器为接收传感器为S S0 0、、S S1 1和和S S2 2 ，，坐标为（坐标为（X X0 0,Y,Y0 0）、）、（（X X1 1,Y,Y1 1））和（和（X X2 2,Y,Y2 2）l信号点（信号点（X,YX,Y））发出声波时，被三个传感器接收，发出声波时，被三个传感器接收，设时间分别为设时间分别为t t0 0、、t t1 1和和t t2 2 它们的时间差为：它们的时间差为：ΔtΔt1 1=t=t1 1-t-t0 0，，ΔtΔt2 2=t=t2 2-t-t0 0l设传播速度为设传播速度为C C。

对换能器对换能器S S0 0和和S S1 1而言，声源的而言，声源的位置应当在到该两点的距离差为位置应当在到该两点的距离差为cΔtcΔt1 1的曲线上，的曲线上，这是一条双曲线利用这是一条双曲线利用ΔtΔt1 1和和ΔtΔt2 2得到两条双曲得到两条双曲线，它们的交点就是声源所在的位置线，它们的交点就是声源所在的位置声源定位声源定位通过推导可得声源位置：通过推导可得声源位置： 其中：其中：声源定位声源定位2. 2. GPSGPS模拟模拟l两维定位，只要两颗两维定位，只要两颗 模拟模拟““卫星卫星” ” 但为了提高定位精度，但为了提高定位精度， 应取多个应取多个““卫星卫星””位置位置 和时差信息和时差信息l当当n n＞＞3 3时，由最小二乘法导出（时，由最小二乘法导出（X X，，Y Y））的最佳值，的最佳值，它们应满足：它们应满足： GPSGPS模拟模拟 这是一个三元非线性代数方程组，可通这是一个三元非线性代数方程组，可通过牛顿迭代法求解过牛顿迭代法求解。

l钢板作为传播媒质钢板作为传播媒质l传感器、放大器、脉冲发生器传感器、放大器、脉冲发生器l时差测定仪：以单片机为核心的测量装置，时差测定仪：以单片机为核心的测量装置， 用于测定传感器接收到的时差用于测定传感器接收到的时差l模拟源：铅笔芯、电脉冲模拟源：铅笔芯、电脉冲l计算机及专用软件：进行数据通讯、处理和计算机及专用软件：进行数据通讯、处理和 显示l稳压电源及若干电缆稳压电源及若干电缆实验仪器介绍实验仪器介绍实验内容实验内容1. 1. 声源定位声源定位传感器布阵及其对应的输入通道连接传感器布阵及其对应的输入通道连接l铅笔芯折断的声信号铅笔芯折断的声信号被被4 4个传感器接收，放个传感器接收，放大后接到时差仪测定大后接到时差仪测定传播时间传播时间l通过串行口将传播时通过串行口将传播时间输入到计算机，计间输入到计算机，计算机对数据进行处理算机对数据进行处理（（1 1）实验内容及数据处理：）实验内容及数据处理： 测量测量8 8个以上的声源位置个以上的声源位置。

编程算出编程算出8 8个声源位置，且与实际声源位置个声源位置，且与实际声源位置 比较，分析主要误差来源比较，分析主要误差来源2 2）软件使用：）软件使用：声源定位声源定位l声源定位演示声源定位演示 -- -- 软件功能演示软件功能演示l实验数据采集实验数据采集 -- -- 采集数据，存盘采集数据，存盘l数据回放数据回放 -- -- 检查实验数据检查实验数据（（3 3）注意事项：）注意事项：声源定位声源定位l各传感器的序号不要搞错，检查正确后才各传感器的序号不要搞错，检查正确后才可以上电可以上电l3 3个传感器都作为接收用个传感器都作为接收用S S3 3为坐标原点为坐标原点l时差仪在正式测量前时差仪在正式测量前““复位复位””门槛值尽门槛值尽量量 选低一些选低一些l铅笔芯长度应尽量短铅笔芯长度应尽量短2. 2. GPSGPS模拟模拟GPSGPS仿真实验仿真实验l3 3个传感器作为接收个传感器作为接收器，器，1 1个传感器作为个传感器作为发送器电脉冲作为发送器电脉冲作为模拟声源模拟声源 l接收传感器收到声信接收传感器收到声信号，放大后接到时差号，放大后接到时差仪测定传播时间。

仪测定传播时间l模拟源接到隔离放大器，放大后的电信号接到模拟源接到隔离放大器，放大后的电信号接到时差仪的第时差仪的第4 4通道，作为启动计时通道，作为启动计时（（1 1）实验内容及数据处理：）实验内容及数据处理： 改变发送换能器的位置，测出三个接收器位改变发送换能器的位置，测出三个接收器位置要求测量置要求测量1010个点以上个点以上 编程计算编程计算3 3个接收器的位置及声速个接收器的位置及声速C C，，且分析且分析主要误差来源主要误差来源GPSGPS模拟模拟（（2 2）注意事项：）注意事项： 电脉冲放大后的信号必须接到时差仪的第电脉冲放大后的信号必须接到时差仪的第4 4 通道，该通道读数为通道，该通道读数为0 0，其余通道开始计时其余通道开始计时 1 1．声源定位和．声源定位和GPSGPS的区别：的区别： 从测量原理，仪器组成和信息特点来讨论从测量原理，仪器组成和信息特点来讨论声源定位和声源定位和GPSGPS仿真实验的相同点和不同点？仿真实验的相同点和不同点？2 2．仪器的功能和接线：．仪器的功能和接线：课堂思考课堂思考l实验中时差是如何得到的？怎样才能获得实验中时差是如何得到的？怎样才能获得相对时差和绝对时差的信息？相对时差和绝对时差的信息？l各种电缆如何连接？在声源定位和各种电缆如何连接？在声源定位和GPSGPS仿仿真实验中的接线有什么不同？真实验中的接线有什么不同？1 1．．2 2．从理论和实验两个方面研究不同定位算法和不．从理论和实验两个方面研究不同定位算法和不 同区域的声源定位的测量精度。

同区域的声源定位的测量精度选做实验选做实验l增加双踪示波器，观察声波在媒质传播过程增加双踪示波器，观察声波在媒质传播过程 的时间延迟，振幅衰减和前沿变缓等现象的时间延迟，振幅衰减和前沿变缓等现象 l利用不同位置传感器的输出信号估算声波在利用不同位置传感器的输出信号估算声波在 媒质中的传播速度媒质中的传播速度。