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。

參考文獻(xiàn)

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