白玲

摘要：隨著定位技術(shù)在軍事和民事中的應(yīng)用越來越廣泛，聲源定位也成為熱門的研究內(nèi)容之一。根據(jù)到達(dá)時(shí)間差的定位方法，研究并自主設(shè)計(jì)了一套聲音定位裝置。整個(gè)裝置劃分為三個(gè)模塊，第一個(gè)是接收單元，采用超聲波傳感器，并對收到的信號進(jìn)行放大濾波等處理；第二個(gè)是邏輯、計(jì)時(shí)及顯示單元，確定基站并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，該單元主要由搶時(shí)電路和計(jì)時(shí)電路組成；第三個(gè)是上位機(jī)主控單元，與單片機(jī)進(jìn)行通信以及實(shí)現(xiàn)基于TDOA定位算法。定位算法采用基于TDOA的Chan算法，Chan算法采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，在TDOA測量誤差比較小時(shí)具有計(jì)算量小，精確性高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整套定位裝置的結(jié)構(gòu)簡單，定位精度滿足應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：聲源定位：計(jì)時(shí)電路；到達(dá)時(shí)間差：Chan算法：最小二乘法

1概述

聲源定位技術(shù)采用聲音傳感裝置接收聲波，對收到的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化、選頻、放大及濾波等一系列處理操作，以實(shí)現(xiàn)對聲源進(jìn)行定位的一種技術(shù)。聲源定位技術(shù)很早就被應(yīng)用在了軍事中，例如在第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭中，75%的戰(zhàn)場火炮偵察任務(wù)是依靠聲測手段完成的，國外一些國家也自主設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出了相關(guān)產(chǎn)品，例如瑞典Swetron公司的Helisearch直升機(jī)聲測系統(tǒng)、以色列研制的AEWS聲測預(yù)警系統(tǒng)等。在民用領(lǐng)域，視頻會(huì)議中根據(jù)發(fā)言人的方向轉(zhuǎn)換攝像頭，還有助聽器、智能機(jī)器人等。

聲源定位技術(shù)有3類基本方法：（1）波束形成法；（2）高分辨定向法；（3）時(shí)延估計(jì)法。波束形成法雖然計(jì)算量相對較小，但是精度較低；高分辨定向法雖然定位精度高，但是計(jì)算量很大，效率低；時(shí)延估計(jì)法是一種被動(dòng)定位技術(shù)，也被稱為基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）技術(shù)，這種算法計(jì)算量適中、精度較高、實(shí)時(shí)性也較高，所以本文采用TDOA方法進(jìn)行定位計(jì)算。

TDOA方法是一種雙曲線定位法，利用聲音信號到達(dá)各/卜接收站的距離來確定信號的位置。TDOA方法是一種基于到=達(dá)時(shí)間差的技術(shù)，由于絕對時(shí)間一般比較難測量，所以TDOA算法是通過計(jì)算聲音信號到達(dá)各個(gè)接收站的時(shí)間差，作出以接收站為焦點(diǎn)，距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是聲音信號源的位置。TDOA方法的示意圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

本裝置采用4個(gè)接收站，目標(biāo)聲源發(fā)出聲音信號后，由接收站接受信號，并對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理；信號進(jìn)入搶時(shí)電路啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并確定基站；將計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行定位計(jì)算，并將結(jié)果顯示出來，整體流程圖如圖2所示。

2.1接收單元

整個(gè)裝置含有4個(gè)接收單元，接收單元采用超聲波傳感器，首先對收到的聲音信號進(jìn)行放大濾波，達(dá)到選頻放大去除噪聲的目的。接收單元使用NE5532芯片將通過MIC接收到的聲音信號進(jìn)行放大處理，并經(jīng)帶通濾波電路進(jìn)行濾波，放大濾波電路圖如圖3所示，放大后的信號再經(jīng)LM211D芯片組成的門限電路，門限電路原理圖如圖4所示，處理后的聲音信號輸入至下個(gè)單元。

2.2邏輯控制、計(jì)時(shí)單元及顯示單元

本單元由搶時(shí)電路和計(jì)時(shí)電路組成。由最先收到聲音的接收單元的接收時(shí)刻作為其他計(jì)時(shí)單元的計(jì)時(shí)啟動(dòng)信號，其他計(jì)時(shí)單元收到的聲音時(shí)刻作為該單元停止計(jì)時(shí)信號。所有計(jì)時(shí)單元都收到聲音信號后停止計(jì)時(shí)，同時(shí)向單片機(jī)單元發(fā)出計(jì)時(shí)結(jié)束的信號。單片機(jī)根據(jù)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算并確定聲源的位置，計(jì)算結(jié)果送到顯示模塊顯示，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送結(jié)果。單片機(jī)通信采用RS485和無線兩種方式，單片機(jī)隨時(shí)測量環(huán)境溫度，以便對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

邏輯計(jì)數(shù)芯片采用美國Lattice公司生產(chǎn)的可編程超高速高密度CPLD邏輯芯片LC4128V。該芯片的主要功能如下：最先接收到聲音信號的接收板發(fā)出COME信號，LC4128V接收到這個(gè)信號后將STOPEN信號置1，禁止該接收板對應(yīng)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并啟動(dòng)其他計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，其他接收板也同樣。所有的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)束之后發(fā)出DATAYES的信號表示全部計(jì)數(shù)結(jié)束，READEN信號置低開始讀計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)。

2.3上位機(jī)主控單元

在上位機(jī)主控單元中，在PC機(jī)中編寫上位機(jī)軟件，編程采用基于TDOA的Chan算法進(jìn)行目標(biāo)聲源的定位計(jì)算，使用C#與MATLAB聯(lián)合編程。

3軟件設(shè)計(jì)

基于TDOA的定位方法有很多種，例如：Taylor級數(shù)展開算法、Friedlander算法、SI算法、SX（球面相交）算法等都是TDOA定位中的傳統(tǒng)算法。Taylor算法是一種迭代的思想，計(jì)算結(jié)果精確度高，但是非常依賴于初始值，如果初始值較為精確，才會(huì)得到精確的結(jié)果；Friedlander算法、SI算法、SX（球面相交）算法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是由于算法自身需要特定的條件或者忽略了一些因素而導(dǎo)致最終結(jié)果得到的不是最優(yōu)解，因此本實(shí)驗(yàn)選擇了算法簡單、定位精確度較高的Chan算法。

Chan算法的計(jì)算量小，在噪聲符合高斯分布的時(shí)候具有很高的精確性；Chan算法是將根據(jù)TDOA基本原理而列出的非線性方程組轉(zhuǎn)化為線性方程組，然后采用最小二乘法進(jìn)行求解。整個(gè)算法的流程圖如圖5所示。

如圖1所示，假設(shè)（xi，yi）為接收站i的坐標(biāo)（x，y）為目標(biāo)聲源的坐標(biāo)，Ri為接收站i到目標(biāo)聲源的距離。通過TDOA的基礎(chǔ)方程可知，接收站i到目標(biāo)聲源的距離Ri為：

其中，K=X+Y，也就是相應(yīng)接收站的坐標(biāo)平方和。由于在接收站中要選擇一個(gè)基準(zhǔn)站以便與其他接收站計(jì)算距離差、列出方程組.在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中.將選擇由最先收到聲音的接收單

當(dāng)TDOA測量值的個(gè)數(shù)大于未知參數(shù)的時(shí)候，就可以采用二重最小二乘法來進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。該算法的思想是：第一重運(yùn)算得到一個(gè)初始目標(biāo)聲源位置，再根據(jù)這個(gè)初始解計(jì)算出第二重運(yùn)算的結(jié)果，就是目標(biāo)聲源的最終位置坐標(biāo)。由于在本系統(tǒng)中采用4個(gè)接收站，所以可以使用該方法來進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算，根據(jù)先前的已知條件，具體算法如下，首先根據(jù)公式（4）聯(lián)立的方程組整理可得：

以上進(jìn)行的是第一重最小二乘法運(yùn)算，得到的結(jié)果如公式（7）所示，由于在第一重運(yùn)算的過程中，將Z。的分量看成是相互獨(dú)立的，但實(shí)際上R1與（x，y）有關(guān)，所以為了更加精確的計(jì)算，根據(jù)這個(gè)結(jié)果進(jìn)行第二重運(yùn)算，求得的結(jié)果即為最終坐標(biāo)值。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，單片機(jī)將測得的實(shí)時(shí)溫度值、接收站的位置以及各個(gè)接收站與基站到目標(biāo)聲源的時(shí)間差上傳至上位機(jī)，上位機(jī)將這些數(shù)據(jù)代入到算法中進(jìn)行定位計(jì)算。對于算法的模擬，假設(shè)當(dāng)前環(huán)境溫度為20攝氏度，設(shè)置4個(gè)接收站的位置分別是（0，0），（1000，0），（1000，1000）和（0，1000），輸入假定的目標(biāo)聲源位置（120，230），計(jì)算獲得時(shí)延值并將此時(shí)延帶人到算法中進(jìn)行計(jì)算，算法計(jì)算得到的結(jié)果如圖6所示。對于模擬實(shí)驗(yàn)中算法的誤差，這里列出一個(gè)表格，表中是在之前假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生十個(gè)目標(biāo)聲源位置，計(jì)算出定位結(jié)果和誤差，具體內(nèi)容如表1所示。

5結(jié)論與展望

通過研究聲源定位的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于TDOA的聲源定位裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該套定位裝置結(jié)構(gòu)簡單，在TDOA測量值比較小的時(shí)候具有很高的估計(jì)性能。由于相應(yīng)的該算法的缺點(diǎn)是如果TDOA測量值的誤差較大，算法的性能也會(huì)迅速下降，因此之后的研究可以圍繞在如何提高TDOA測量精度方面進(jìn)行，以保證整套裝置具有更強(qiáng)的適應(yīng)性與精確度，這也是一個(gè)很有價(jià)值的研究方向。endprint