常躍躍，陳建峰

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072) (2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072)

一種低空目標(biāo)分布式定位系統(tǒng)及其算法與實(shí)驗(yàn)研究

常躍躍1，陳建峰2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072) (2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072)

低空聲源目標(biāo)具有較強(qiáng)的隱身性，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)目標(biāo)的定位，構(gòu)建基于TMS320C6713平臺(tái)的分布式麥克風(fēng)陣列低空聲源定位系統(tǒng)。麥克風(fēng)陣列節(jié)點(diǎn)以DSP為核心處理器，通過(guò)A/D芯片采樣麥克風(fēng)陣列接收到的信號(hào)，通過(guò)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)計(jì)算聲源的角度，利用測(cè)向交叉法，融合多個(gè)節(jié)點(diǎn)的角度信息，計(jì)算出聲源的位置。結(jié)果表明：在時(shí)延估計(jì)精確的情況下，對(duì)低空目標(biāo)具有較好地估計(jì)；系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足對(duì)低空聲源目標(biāo)進(jìn)行定位的實(shí)際需求。

低空；分布式；聲源定位；DSP；測(cè)向交叉定位法；TDOA

0 引 言

低空飛行目標(biāo)由于其雷達(dá)反射面積小而具有較強(qiáng)的隱身性能[1]，對(duì)低空聲源目標(biāo)的定位在軍用和民用領(lǐng)域均具有較大的需求和應(yīng)用市場(chǎng)[2]。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，被動(dòng)聲源定位可以作為現(xiàn)有定位技術(shù)的補(bǔ)充，能對(duì)低空目標(biāo)進(jìn)行有效定位[3]。分布式麥克風(fēng)陣列聲源定位是指用麥克風(fēng)拾取聲音信號(hào)，通過(guò)對(duì)麥克風(fēng)陣列的各路輸出信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到多個(gè)時(shí)延估計(jì)信息，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，利用數(shù)學(xué)模型得到目標(biāo)的位置。

目前，基于分布式麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于空中被動(dòng)聲源定位、智能雷場(chǎng)、水下監(jiān)控等[4]領(lǐng)域。美國(guó)、俄羅斯、以色列、英國(guó)、瑞典等國(guó)家在該領(lǐng)域起步較早，已研制出比較成熟的定位系統(tǒng)，例如美國(guó)的PALS被動(dòng)聲源定位系統(tǒng)、英國(guó)的Picker直升機(jī)報(bào)警器和瑞典的SORAS26聲測(cè)系統(tǒng)等。20世紀(jì)90年代，我國(guó)才開(kāi)始進(jìn)行該領(lǐng)域的研究，但目前尚未有相對(duì)成熟的大型產(chǎn)品問(wèn)世。僅在2007年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研制出了一種基于PC104小基陣系統(tǒng)的分布式實(shí)時(shí)被動(dòng)聲源定位系統(tǒng)[5]。

本文主要討論針對(duì)低空目標(biāo)的分布式實(shí)時(shí)被動(dòng)聲源定位系統(tǒng)(低空聲源定位系統(tǒng))的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)所采用的測(cè)向交叉定向法進(jìn)行仿真，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單點(diǎn)的定向效果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的整個(gè)硬件系統(tǒng)是以DSP為核心電路對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集和處理。4路麥克風(fēng)構(gòu)成兩個(gè)麥克風(fēng)陣列，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理放大電路，并由A/D轉(zhuǎn)換電路把調(diào)理后的模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，再送入DSP芯片處理，最終輸出到PC機(jī)上。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由DSP系統(tǒng)核心處理模塊、目標(biāo)信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊和外圍電路等構(gòu)成，其硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

1.1 DSP系統(tǒng)核心處理模塊

作為系統(tǒng)的核心模塊，DSP芯片采用TMS320C6713，該芯片是TI公司推出的一種新型浮點(diǎn)DSP 芯片，主頻可達(dá)200 MHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在 TMS320C62X的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，集成了多個(gè)功能單元，可同時(shí)執(zhí)行8 條指令，運(yùn)算能力可達(dá)1 G FLOPS。芯片內(nèi)具有豐富的外設(shè)，例如EDMA、EMIF、McBSP、HPI、GPIO等[6]。TMS320 C6713具有出色的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍尋址能力，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)某些復(fù)雜定位算法的快速處理。

1.2 目標(biāo)信號(hào)調(diào)理模塊

麥克風(fēng)所拾取的聲音信號(hào)太小，且易受環(huán)境噪聲的影響，因此有必要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)信號(hào)調(diào)理單元的處理，使之能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。本文選用的目標(biāo)調(diào)理模塊為運(yùn)算放大芯片MC33204，該芯片為四運(yùn)算放大器，具有功耗低、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用兩級(jí)放大，最終可將信號(hào)放大到合適的大小。

1.3 A/D采樣模塊

麥克風(fēng)陣列拾取聲音信號(hào)，經(jīng)過(guò)目標(biāo)調(diào)理模塊的處理，使聲音信號(hào)達(dá)到A/D芯片采樣的要求，從而進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)采樣。A/D轉(zhuǎn)換器件選用TI公司的PCM4204，該芯片可以進(jìn)行4通道、24位、高精度采樣，采樣速率可達(dá)216 kHz。該芯片具有音頻串口和DSD數(shù)據(jù)接口，其中音頻串口能與DSP方便連接，采樣數(shù)據(jù)能夠迅速地被DSP處理。

A/D采樣模塊根據(jù)TMS320C6713的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用EDMA方式通過(guò)TMS320C6713的McASP與ADC外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。EDMA方式不僅使數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸量大，還不占用CPU時(shí)鐘周期，使數(shù)據(jù)傳輸和DSP命令執(zhí)行同步進(jìn)行，大幅提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。A/D采樣模塊設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

1.4 外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊

大多DSP芯片內(nèi)部都有內(nèi)置存儲(chǔ)器RAM和ROM，但對(duì)于許多DSP應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。同時(shí)，程序和數(shù)據(jù)在掉電后無(wú)法保存，需要從外部加載程序，因此，通常需要進(jìn)行片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展。TMS320C6713的EMIF具有很強(qiáng)的接口能力，幾乎能夠與所有存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。EMIF的外部空間容量為64 MB，分為四個(gè)空間CE0～CE3，每個(gè)CE空間彼此獨(dú)立，可以進(jìn)行不同的訪問(wèn)控制[7]。本文通過(guò)EMIF 擴(kuò)展兩個(gè)存儲(chǔ)空間，其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間(SDRAM)分配在CE0，程序存儲(chǔ)空間(FLASHROM) 分配在CE1。

2 測(cè)向交叉定向與定位算法及分析

2.1 單節(jié)點(diǎn)定向算法

在利用麥克風(fēng)分布式陣列進(jìn)行定位前，需要先利用單個(gè)節(jié)點(diǎn)確定出一個(gè)聲源的相對(duì)方向；然后將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的方向結(jié)果進(jìn)行測(cè)向交叉，從而得到聲源的方位信息。單節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示，O為參考點(diǎn)，α為聲源與二號(hào)麥克風(fēng)連線(xiàn)同x軸正方向的夾角，麥克風(fēng)陣元m1和m2的坐標(biāo)分別為(d/2,0)、(-d/2，0)。

被動(dòng)聲源定位(Time Delay of Arrival，簡(jiǎn)稱(chēng)TDOA)估計(jì)技術(shù)具有較小的計(jì)算量和較高的精度，是一種常用的聲源定位技術(shù)。本文選用互功率相位(Crosspower-Spectrum Phase，簡(jiǎn)稱(chēng)CSP)估計(jì)算法[8]。

在平面波傳播模型中，麥克風(fēng)對(duì)(m1,m2)的聲源波達(dá)方向可由式(1)獲得：

(1)

式中：d12、τ12分別為麥克風(fēng)對(duì)(m1,m2)之間的距離和接收信號(hào)的相對(duì)延遲的估計(jì)值。

麥克風(fēng)對(duì)之間的時(shí)延可以根據(jù)式(2)估計(jì)：

(2)

其中，

(3)

(4)

式中：X1(t,f)為接收信號(hào)x1(t)的頻譜；φ12為歸一化互功率譜；R12(t,τ)為互相關(guān)函數(shù)。

2.2 測(cè)向交叉定位法

在獲得了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到的方向角之后，采用測(cè)向交叉定位法對(duì)聲源進(jìn)行定位計(jì)算。定位模型如圖4所示。

(5)

(6)

令

(7)

C=[g1,g2,…,gn]T

(8)

(9)

式中：C為n×1的向量；H為n×2的矩陣。

利用最小二乘法[6]，可得

(10)

3 仿真分析

3.1 仿真模型

系統(tǒng)的定位誤差主要來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定向誤差，故著重對(duì)單節(jié)點(diǎn)定向算法進(jìn)行仿真分析。所用算法的理論推導(dǎo)均按照以下假設(shè)建立陣列信號(hào)模型[9-10]：

(1) 接收的目標(biāo)信號(hào)為寬帶信號(hào)；

(2) 傳播介質(zhì)均勻且各向同性；

(3) 接收基陣位于信號(hào)源的遠(yuǎn)場(chǎng)，可近似認(rèn)為接收到的信號(hào)為平面波；

(4) 接收陣元的幾何尺寸遠(yuǎn)小于入射平面波的波長(zhǎng)，且陣元無(wú)指向性，可近似認(rèn)為接收陣元是點(diǎn)元；

(5) 接收陣元間距d遠(yuǎn)大于陣元尺寸，即陣元間的相互影響可忽略不計(jì)。

聲源信號(hào)通常采用高斯寬帶隨機(jī)信號(hào)來(lái)模擬[9]。麥克風(fēng)接收到的信號(hào)是聲源信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播衰減后到達(dá)陣元的信號(hào)。在陣列模型中，一旦聲源位置確定，聲信號(hào)到達(dá)各陣元的傳播延時(shí)也是確定的，用理論方法可以計(jì)算得出該延時(shí)[11-12]，繼而可生成仿真需要的信號(hào)。

3.2 仿真條件設(shè)置

采樣頻率Fs=16 000 Hz，d=0.5 m，快拍數(shù)N=1 024，空氣中聲音傳播的速度c=340 m/s，陣列為二元陣；仿真所用信號(hào)源為寬帶信號(hào)，fl=500 Hz，fh=7 000 Hz；信號(hào)源位于αs方向，αs從0°到180°以間隔為1°增長(zhǎng)變化；仿真時(shí)間測(cè)試平臺(tái)：Vision臺(tái)式機(jī)，操作系統(tǒng)Windows XP，主頻3 GHz，內(nèi)存1.75 G；MATLAB版本7.8.0(R2009a)。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真信號(hào)的產(chǎn)生方式及仿真參數(shù)的設(shè)置，生成的寬帶仿真信號(hào)的時(shí)域圖和頻譜圖如圖5～圖6所示。

兩個(gè)麥克風(fēng)接收信號(hào)的互功率譜和互相關(guān)函數(shù)分別如圖7～圖8所示，可以看出：對(duì)于已知時(shí)間差的兩個(gè)信號(hào)，利用互功率譜算法求出兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出互相關(guān)函數(shù)最大值所在的位置，從而求出相應(yīng)的時(shí)延τ12，進(jìn)而求出聲源相對(duì)于節(jié)點(diǎn)的角度θ。

假設(shè)已知聲源與節(jié)點(diǎn)的相對(duì)角度為θ，代入式(1)得到兩個(gè)信號(hào)的時(shí)延，利用MATLAB產(chǎn)生這兩個(gè)仿真信號(hào)，再利用互功率譜算法求出一個(gè)角度，并與已知的θ進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖9～圖10所示。

從圖9～圖10可以看出：當(dāng)聲源相對(duì)節(jié)點(diǎn)的角度從0°～180°變化時(shí)，利用互功率譜法可以得到相應(yīng)的估計(jì)角度；當(dāng)假設(shè)角度在20°～160°范圍時(shí)，估計(jì)誤差小于3°；0°～20°和160°～180°時(shí)，估計(jì)誤差最大達(dá)到9°。

4 單節(jié)點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇為農(nóng)村空曠的空地，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為13:30～16:00。由于距離公路較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲屬于安靜級(jí)(40～50 dB)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)風(fēng)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖11所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：一套基于平面四元十字陣的單節(jié)點(diǎn)定向系統(tǒng)；GPS接收器；發(fā)令槍兩把(用于校準(zhǔn))。

單節(jié)點(diǎn)定向系統(tǒng)主要包括：平面四元十字陣，預(yù)處理電路節(jié)點(diǎn)控制板，多通道數(shù)據(jù)采集板，上位機(jī)PC。

4.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

單節(jié)點(diǎn)定向?qū)嶒?yàn)中，在距離陣列3 km范圍內(nèi)利用多個(gè)炮竹爆炸產(chǎn)生的聲音作為聲源，系統(tǒng)上位機(jī)采集聲源信息、計(jì)算聲源相對(duì)坐標(biāo)并顯示。在某一位置處，通過(guò)多次測(cè)量比較結(jié)果的穩(wěn)定性，如表1所示，可以看出：系統(tǒng)對(duì)聲源的定向基本可以保持穩(wěn)定，但也會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。導(dǎo)致該誤差的因素主要有兩方面：一是由于實(shí)驗(yàn)前利用發(fā)令槍進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過(guò)程存在一定誤差；二是由于系統(tǒng)采用定向算法數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)估計(jì)具有離散型，致使單個(gè)麥克風(fēng)陣的定向角度存在偏差。

表1 單節(jié)點(diǎn)定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

(1) 本文針對(duì)低空聲源目標(biāo)設(shè)計(jì)了一套定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)現(xiàn)有定位系統(tǒng)進(jìn)行有效補(bǔ)充。

(2) 通過(guò)仿真對(duì)系統(tǒng)所采用的定向算法進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示在時(shí)延精確的情況下，算法可以以較低的誤差確定出目標(biāo)的方向。

(3) 定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較高的精度，對(duì)低空目標(biāo)聲源定位具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

[1] 張曉, 高勇. 一種用于低空聲源目標(biāo)超視距被動(dòng)聲定位的新方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2008, 30(5): 1136-1139.

Zhang Xiao, Gao Yong. A new algorithm for NLOS acoustic passive localization of low altitude targets[J]. Journal of Electronics amp; Information Technology, 2008, 30(5): 1136-1139.(in Chinese)

[2] 馮登超, 袁曉輝. 低空空域安全告警航圖可視化研究進(jìn)展[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2015, 29(3): 305-316.

Feng Dengchao, Yuan Xiaohui. Advancement of security alarm aeronautical chart visualization in low altitude airspace[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2015, 29(3): 305-316.(in Chinese)

[3] 牛新亮， 趙國(guó)慶， 劉原華， 等. 低空目標(biāo)高精度無(wú)源時(shí)差定位方法[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 36(5): 862-866.

Niu Xinliang, Zhao Guoqing, Liu Yuanhua, et al. High precision passive TDOA location method for low-altitude targets[J]. Journal of Xidian University: Natural Science, 2009, 36(5): 862-866.(in Chinese)

[4] Brandstein M S, Silverman H F. A practical methodology for speech source localization with microphone arrays[J]. Computer Speech and Language, 1997, 11(2): 91-126.

[5] 馬馳州, 滕鵬曉, 楊亦春, 等. 分布式實(shí)時(shí)被動(dòng)聲定位系統(tǒng)研究[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2007, 29(1): 18-22.

Ma Chizhou, Teng Pengxiao, Yang Yichun, et al. Real-time passive localization by a distributed acoustic array system[J]. Journal of Detection amp; Control, 2007, 29(1): 18-22.(in Chinese)

[6] 汪安民, 程昱, 徐保根. DSP嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)典型案例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

Wang Anmin, Chen Yu, Xu Baogen. Development of typical cases in DSP embedded system[M]. Beijing: Posts amp; Telecom Press, 2007.(in Chinese)

[7] 陶巍, 劉建平, 張一聞. 基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2012, 32(5): 1457-1459.

Tao Wei, Liu Jianping, Zhang Yiwen. Sound source localization system based on microphone array[J]. Journal of Computer Applications, 2012, 32(5): 1457-1459.(in Chinese)

[8] 馬馳， 陳建峰， 葉永. 基于四元十字陣的分布式聲源定位實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2013, 32(11): 52-54.

Ma Chi, Chen Jianfeng, Ye Yong. Experimental study on distributed acoustic source localization based on four-element cross array[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2013, 32(11): 52-54.(in Chinese)

[9] 程萍, 陳建峰, 馬馳, 等. 十字陣短時(shí)寬帶聲源實(shí)時(shí)定向算法[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2012, 31(1): 123-129.

Cheng Ping, Chen Jianfeng, Ma Chi, et al. A fast short-time broadband acoustic source direction estimation algorithm using cross array[J]. Applied Acoustics, 2012, 31(1): 123-129.(in Chinese)

[10] 楊凌云, 謝小娟. 基于聲音能量的單目標(biāo)定位[J]. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 28(2): 202-205.

Yang Lingyun, Xie Xiaojuan. Single target localization based on the acoustic energy[J]. Journal of Changchun University of Technology: Natural Science Edition, 2007, 28(2): 202-205.(in Chinese)

[11] 陳萍. 穩(wěn)健的寬帶聲源實(shí)時(shí)定向技術(shù)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2012.

Chen Ping. The performance study of robust real-time wide band acoustic source localization method[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2012.(in Chinese)

[12] 黃曉利, 王福豹, 段渭軍, 等. 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)TDOA測(cè)距誤差分析與校正[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2008, 16(7): 1053-1056.

Huang Xiaoli, Wang Fubao, Duan Weijun, et al. Error analysis and calibration of TDOA ranging for wireless sensor networks[J]. Computer Measurement amp; Control, 2008, 16(7): 1053-1056.(in Chinese)

常躍躍(1989-)，男，碩士，助教。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與聲源定位。陳建峰(1972-)，男，博士，教授。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與聲源定位。

(編輯：馬文靜)

ADistributedAcousticLocalizationSystemforLowAltitudeTargetsandItsAlgorithmandExperimentalResearch

Chang Yueyue1, Chen Jianfeng2

(1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) (2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Low altitude targets are of a strong stealth. In order to localize such targets, a distributed sound source localization system for low altitude targets based on the platform of TMS320C6713 is constructed. In the system, digital signal processor(DSP) is the core processor and signals

by the microphone are sampled via Analog/Digital(A/D) chips. The direction of the sound source is calculated through time different of arrival(TDOA) and the angles of each node are fused by direction finding cross localization method to calculate the position of the sound source. The simulation results show that the algorithm has good effectiveness when the time-delay estimation is accurate. The experimental results show that the system has high precision and stability and can meet the needs of the practical applications for low altitude targets.

low altitude; distributed; sound source localization; DSP; direction finding cross locating method; TDOA

2017-03-13；

2017-04-26

常躍躍,cyy@nwpu.edu.cn

1674-8190(2017)04-444-06

TN912.3

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.012