李超 黃晉英 林琦
【摘要】目前國(guó)際上經(jīng)過(guò)多年的研究,聲源定位己經(jīng)有一些初步的實(shí)際可用的定位系統(tǒng)。本文針對(duì)聲源定位系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的特殊要求,采用傳聲器陣列采集信號(hào),使用廣義互相關(guān)算法來(lái)解決時(shí)延估計(jì)的問題,開發(fā)軟件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的低頻聲源定位系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)低頻聲源的定位,且定位誤差較小,在誤差允許范圍內(nèi)。
【關(guān)鍵詞】傳聲器陣列;聲源定位;廣義互相關(guān);時(shí)延估計(jì)
引言
隨著電子技術(shù)發(fā)展,聲源定位的基本原理和設(shè)計(jì)變化不大,主要是采用各種現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、集成電路化,提高了性能?,F(xiàn)有的聲源定位系統(tǒng)一般用熱線,碳?;螂娙輦髀暺鹘邮苈曇粜盘?hào),用無(wú)線電技術(shù)或光纖技術(shù)傳輸信號(hào),用點(diǎn)蝕紙帶或墨水紙袋記錄測(cè)量結(jié)果,并把記錄儀與計(jì)算機(jī)相連,用計(jì)算機(jī)處理測(cè)量結(jié)果。聲測(cè)基線采用直線,弧線,正方形等多種形式。目前,定位偵察距離可達(dá)30km,精度達(dá)到1%。
本文將若干個(gè)傳聲器按照一定的幾何結(jié)構(gòu)排列,組成傳聲器陣列,通過(guò)陣列信號(hào)處理的方法對(duì)該陣列接收到的聲源信號(hào)進(jìn)行處理,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套聲源定位系統(tǒng),并在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了聲源定位實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了系統(tǒng)性能,提出了改進(jìn)方案,確定出聲源的幾何位置。
1.定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
聲源定位結(jié)果可作為改善環(huán)境跟蹤錄音效果的依據(jù),也可作為軍事偵察的手段。聲源定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框:由駐極體電容傳聲器采集到聲音信號(hào)后,經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板去噪,數(shù)據(jù)采集卡得到的數(shù)據(jù)傳回到PC機(jī),計(jì)算出每個(gè)傳聲器接收到聲音到達(dá)時(shí)間差值,最后通過(guò)聲源定位程序得到聲源估計(jì)位置。
2.定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集
圖1為聲信號(hào)采集電路板實(shí)物圖。
圖1 聲信號(hào)采集電路板
2.2 時(shí)延估計(jì)算法
實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法,步驟如下:
(1)將接收信號(hào)分別通過(guò)頻率響應(yīng)的預(yù)濾波器,對(duì)其進(jìn)行預(yù)濾波處理;
(2)對(duì)預(yù)濾波處理后得到的互功率譜密度函數(shù)進(jìn)行加權(quán),得到互功率譜密度函數(shù)[3];
(3)對(duì)互功率譜密度函數(shù)進(jìn)行反傅里葉變換,得到廣義相關(guān)函數(shù);
(4)把一路互相關(guān)函數(shù)做希爾伯特變換,得到其希爾伯特變換,取絕對(duì)值,并將其和互相關(guān)函數(shù)做差值運(yùn)算,得到:
(5)檢測(cè)相關(guān)函數(shù)的峰值所對(duì)應(yīng)的位置,即可得到估計(jì)的時(shí)延值。
2.3 聲源定位方法理論
實(shí)驗(yàn)采用基于笛卡爾坐標(biāo)系的幾何定位方式,根據(jù)聲源和傳聲器陣列空間分布位置,建立定位算法模型,利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力解方程得出聲源坐標(biāo)。
傳感器位置及各傳感器之間時(shí)延可列方程式(1):
(1)
解方程式可得聲源位置。
3.低頻聲源定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了檢驗(yàn)低頻聲源定位系統(tǒng)的定位性能,選擇了在實(shí)際環(huán)境中的進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給出了定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精度,并對(duì)試驗(yàn)誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。
3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
實(shí)驗(yàn)是在一間普通的辦公室進(jìn)行,室內(nèi)空間為。室內(nèi)并不空曠,有辦公桌等辦公設(shè)備,周圍墻壁未經(jīng)任何處理,噪聲強(qiáng)度中等,無(wú)風(fēng)。
圖2 各通道聲信號(hào)波形
3.2 實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)
實(shí)驗(yàn)時(shí)聲源在房間任意位置,陣列和聲源的空間幾何位置:傳聲器1為原點(diǎn),傳聲器2為X軸,傳聲器3為Y軸,傳聲器4為Z軸。最后聲源定位的結(jié)果為。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
傳聲器2、3、4與傳聲器1間的距離為0.4m。在實(shí)驗(yàn)中,聲源的坐標(biāo)位置為,聲源使用普通的哨子,以的采樣頻率采集聲音信號(hào)。各通道波形顯示如圖2所示。
下面是實(shí)驗(yàn)中的過(guò)程數(shù)據(jù),分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣義互相關(guān)計(jì)算所得出的時(shí)延和根據(jù)聲速得出的距離差:
表1 計(jì)算中過(guò)程量時(shí)延與距離差
相 關(guān)通 道 時(shí)延(s) 距離差(mm)
通道2相對(duì)通道1 -0.0001131 -38.455
通道3相對(duì)通道1 -0.0011234 -381.97
通道4相對(duì)通道1 -0.00018966 -64.483
根據(jù)各通道的時(shí)延使用基于笛卡爾坐標(biāo)系的空間幾何定位法,得到唯一的聲源坐標(biāo)解。MATLAB計(jì)算的聲源位置結(jié)果為。為適應(yīng)某些時(shí)候傳聲器陣列的使用,程序根據(jù)定位結(jié)果產(chǎn)生球坐標(biāo)結(jié)果。
即,。
定位結(jié)果,與實(shí)際聲源坐標(biāo)相比,較為精確,符合定位精度要求。
3.4 實(shí)驗(yàn)誤差分析
在實(shí)際的聲源定位實(shí)驗(yàn)中,有很多因素影響著聲源定位的結(jié)果。
首先各聲傳感器接收到聲音的時(shí)間差不準(zhǔn)確會(huì)影響定位的精度。
其次是多通道數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率,PC機(jī)的處理速度,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的測(cè)量誤差都會(huì)對(duì)最終的定位結(jié)果產(chǎn)生影響。
3.5 結(jié)論
由實(shí)驗(yàn)所得到的低頻聲源定位結(jié)果可知,在誤差允許的范圍之內(nèi),定位結(jié)果可以滿足實(shí)際需要。
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