【摘 要】被動式聲音定位系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用場景，如反狙擊手系統(tǒng)和自動報靶系統(tǒng)中都有應(yīng)用。而放大整形信號為方波、檢測上升下降沿的方法，測量精度低，檢測干擾大。本文提出一種基于互相關(guān)的時延估計(jì)算法提高了系統(tǒng)的檢測精度，采用了時間開窗的方法減少了外界的干擾。搭建試驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該定位方法具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】聲音定位 互相關(guān) 時延估計(jì)

一、引言

聲音定位系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。在救援搶險中，可以利用聲音傳感器接收某一特定幅度或者頻率的聲音，再通過對聲源的分析處理來獲取其精確位置而進(jìn)行搜救。在反狙擊手系統(tǒng)中，由于紅外探測系統(tǒng)和激光探測系統(tǒng)的視線容易被阻斷，而且價格昂貴，而聲信號探測系統(tǒng)是價格最低廉，使用最廣泛的狙擊手探測系統(tǒng)?；诙S平面的聲音定位，在自動報靶系統(tǒng)的研究中，研究一種成本低，自動化程度高，抗干擾能力強(qiáng)并能精確檢靶系統(tǒng)成為國內(nèi)外研究關(guān)注的熱點(diǎn)和研究重心。

在進(jìn)行聲音定位的研究中，一般采用的方法是采樣信號后通過放大整形變?yōu)榉讲ㄐ盘査腿雴纹瑱C(jī)，用單片機(jī)檢測上升沿和下降沿，從而計(jì)算出聲源信號到達(dá)兩個接收器的時間差。但是上述方法容易受到干擾，測量精度低。

為了進(jìn)一步提高測量的精確性和減少干擾，本文利用平面三元接收器陣列進(jìn)行二維定位的原理，設(shè)計(jì)了互相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行時延估計(jì)的算法，利用坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)一步定位聲源的算法，從理論仿真和實(shí)驗(yàn)論證了算法的可行性及適用性。經(jīng)過對聲源定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)在低噪聲干擾的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，可以有效的對聲源進(jìn)行定位。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用3個成L形分布的拾音器的三元結(jié)構(gòu)來完成對聲源S所發(fā)出的音頻信號的采集，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)音頻信號分別傳遞到M1，M2，M3這3個接收器的到達(dá)時間差來計(jì)算出聲源相對于3個接收器的位置，從而得出S點(diǎn)的平面坐標(biāo)。聲音定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（二）系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)為了能精準(zhǔn)的測量到達(dá)時間延遲差采用了互相關(guān)的時延估計(jì)算法。時間延遲是指由于信號的傳輸距離不同而引起的接收器陣列中不同陣元所接收到的同一目標(biāo)聲源信號之間的時間差。計(jì)算兩路信號的互相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)對應(yīng)的時間，就是所求的兩路信號的時差，即兩路信號最相似時所對應(yīng)的時間。在進(jìn)行時延估計(jì)計(jì)算之前，必須明確接收器接受信號的數(shù)學(xué)模型。

（三）接收器模型

接收器M1，M2在無混響的環(huán)境下，兩個接收器接收到的信號x1（t）和x2（t）可以用下式表示為

其中s（t）為聲源信號，α1，α2是聲波從聲源到接收器的幅度衰減系數(shù)，τ是聲源信號傳播到兩個接收器陣元之間的相對時延，n1（t）n2（t）是互不相關(guān)的高斯白噪聲，且n1（t），n2（t）與s（t）之間彼此互不相關(guān)。

（四）時延估計(jì)

比較兩個信號在時域內(nèi)的相似程度的基本方法是相關(guān)分析，它是最常用的時延估計(jì)方法。它是利用對兩信號之間的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行處理來進(jìn)行時延估計(jì)。

其中RSS（τ-D）為信號的自相關(guān)函數(shù)，由上式和相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可得出。當(dāng)τ=D時，Rx1Rx2（τ）達(dá)到最大值，因此Rx1Rx2（τ）最大值對應(yīng)的τ就是兩個接收器之間的時延值?；蛘哒f，兩信號的互相關(guān)函數(shù)由下面的公式給出：（7）

互相關(guān)函數(shù)描述了時域上兩個信號的相互依賴關(guān)系，兩路信號最相似的時刻對應(yīng)了互相關(guān)函數(shù)的峰值。計(jì)算x1（t）和x2（t）的互相關(guān)函數(shù)，就是通過比較兩個信號波形在不同延時值下的相似程度，進(jìn)而得到互相關(guān)函數(shù)Rx1x2（τ）的圖形，兩接收器接收到的目標(biāo)源信號的時間差τ就是該圖形中的相關(guān)峰最大值位置所對應(yīng)的時間值。在利用互相關(guān)時差法對時延值進(jìn)行測量時，時間分辨率能夠達(dá)到T，T為信號采樣系統(tǒng)的采樣時間間隔。

三、聲源定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

（一）聲音信號采集測試

本實(shí)驗(yàn)測試過程如下：通過串口發(fā)出命令，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，聲源發(fā)聲后，經(jīng)空間接收器陣列接收；經(jīng)信號采集電路處理后，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；傳送至PC機(jī)，然后對接收到的信號進(jìn)行處理運(yùn)算，包括互相關(guān)計(jì)算、峰值檢測，得到時延值，得到聲程差，得出目標(biāo)聲源的位置信息。采樣頻率為100KHZ。在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下安裝三元直角平面陣接收器陣列，接收器分別安裝在x軸的正軸、y軸的正軸和原點(diǎn)。各陣元距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為100cm和100cm。

（二）互相關(guān)計(jì)算測試

經(jīng)過MATLAB互相關(guān)計(jì)算得到的互相關(guān)函數(shù)，可以明顯的看到有最高波峰存在。

將兩個接收器的距離設(shè)定為特定距離，發(fā)生器和接收器在同一直線上，通過測量實(shí)際接收器的距離和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)采樣頻率10us計(jì)算得到的分辨率為3.4mm。

四、結(jié)論

本文提出了時延估計(jì)算法定位聲源坐標(biāo)，并針對外界干擾，提出了時間開窗的方法減少外界干擾。本文所設(shè)計(jì)的時延估計(jì)算法具有精度高，坐標(biāo)準(zhǔn)確。時間開窗的辦法可以有效的減少外界干擾。通過實(shí)際測試，本文所設(shè)計(jì)的時延估計(jì)算法能很好的定位聲源坐標(biāo)。

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[2]郝立果，趙凌云.聲音定位引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011，11.

作者簡介：魯庭勇 （1988.10-），四川省眉山市，碩士研究生，專業(yè)：控制理論與控制工程。