專利名稱：一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲源的定位，更具體地講，涉及ー種使用麥克風(fēng)(MIC)陣列來對聲源定位的方法。
背景技術(shù)：
陣列信號處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、聲納、醫(yī)學(xué)和航天航空等諸多領(lǐng)域。近年來，隨著反恐戰(zhàn)的開展，各國已經(jīng)研制了各種探測爆炸點或槍炮射擊點的位置的設(shè)備。在實際應(yīng)用中，由于視覺定位往往不易實現(xiàn)，從而發(fā)展了一些聲學(xué)定位的系統(tǒng)，例如，美國的回力棒系統(tǒng)、以色列拉斐爾公司的反狙擊手聲探側(cè)系統(tǒng)，加拿大麥克唐納 迪特維利公司和加拿大防務(wù)研究和發(fā)展委員會也共同開發(fā)了ー種名為“雪貂”(Ferret)的小型武器探測和定位系統(tǒng)?；邴溈孙L(fēng)陣列的聲源定位廣泛應(yīng)用于具有嘈雜背景的語音通信環(huán)境，如，視頻會議、多媒體教室、車載電話等，以提高通信質(zhì)量；在地震研究、降噪設(shè)計、壓カ容器的無損 檢測等諸多領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。本專利提供的基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)可以估算出聲源位置和方向角，并對聲源進行實時跟蹤。聲源定位算法研究主要集中在計算機實驗仿真，采用Matlab與C語言結(jié)合，難以開發(fā)出界面友好的程序，流程控制能力不理想，在數(shù)據(jù)采集、硬件控制等方面都比較繁瑣，編程難度大，而程序的通用性也受到制約。本專利采用LabVIEW圖形化編程語言，方便地完成數(shù)據(jù)采集與存儲、分析與處理、硬件及儀器控制等任務(wù)。同時從平面四元方陣定位模型出發(fā)，開發(fā)出一種基于虛擬儀器的實時聲源定位系統(tǒng)，并配合激光筆對聲源進行實時跟蹤。該系統(tǒng)控制界面友好，定位速度較快，精度理想，基本能滿足對近場語音信號的實時定位要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種使用麥克風(fēng)陣列對聲源定位的方法，該方法能夠快速對聲源定位。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種麥克風(fēng)陣列自適應(yīng)降噪控制方法，包括如下步驟SI:麥克風(fēng)陣列米集聲音信號；S2:信號預(yù)處理；S3:聲源定位；S4:舵機控制進ー步，信號預(yù)處理的步驟包括S201:預(yù)濾波采用帶通濾波器濾波，以抑制輸入信號各頻域分量中頻率超出fs/2 (其中fs為采樣率)的所有分量，防止混疊干擾，同時抑制50Hz的電源干擾；S202:分幀采用幀與幀重疊的方法，避免失幀；S203:加窗用窗函數(shù)w(n)乘信號s (η)，形成加窗函數(shù)sw(η)窗函數(shù)的作用是保持幀與幀之間的連續(xù)性。
S204:計算短時能量E:若E小于門限值可認(rèn)為是噪聲，否則，進入下一歩S205:計算短時過零率Ztl:若Ztl在門限內(nèi)，則表示檢測到語音。進ー步，聲源定位的步驟包括S301:時延估計，用于計算同一聲源的信號到達(dá)2個麥克風(fēng)的時間差；S302:位置估計，根據(jù)時延差估計值和麥克風(fēng)陣元間的幾何關(guān)系確定聲源位置。此外，優(yōu)選的，本發(fā)明所提供技術(shù)方案中的麥克風(fēng)陣列全部由全指向麥克風(fēng)組成或者由全指向麥克風(fēng)和單指向麥克風(fēng)組成或者全部由單指向麥克風(fēng)組成。



圖I是本發(fā)明提供的一種實施方案的系統(tǒng)示意圖；圖2是平面四元十字陣定位原理圖； 圖3兩級放大電路設(shè)計圖；圖4時延估計框圖；圖5軟件設(shè)計框圖。
具體實施例方式圖I是本發(fā)明提供的一種實施方案的系統(tǒng)示意圖。本系統(tǒng)主要由麥克風(fēng)陣列、放大電路、PXI—4472數(shù)據(jù)采集卡、PXI平臺、舵機、激光筆組成。圖2是平面四元十字陣定位原理圖。為了測出三維空間目標(biāo)的距離、方位角和俯仰角，需要有3個獨立的時延量，所以，至少需要4個麥克風(fēng)。如圖2給出了ー種平面四元十字陣的幾何模型，4個陣元的坐標(biāo)分別為M1 (d，0，O) ,M2 (0，d，O)，M3 (-d，0，O)，M4 (0，-d，O)。圖3兩級放大電路設(shè)計圖。根據(jù)信號的特點，本系統(tǒng)中的放大電路采用兩級放大，第一級放大電路為固定増益；第二級放大電路為可調(diào)增益，使每一路的麥克風(fēng)均可通過第ニ級放大電路將其輸出放大到適合的幅度范圍。本系統(tǒng)設(shè)計的兩級放大電路如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換電路是通過數(shù)據(jù)采集卡PXI—4472完成的，該采集卡是NI公司專為高通道數(shù)的聲音和振動應(yīng)用而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集(DAQ)模塊，支持8路同步采樣模擬輸入，最高采樣率達(dá)102. 4kS/s，滿足本系統(tǒng)的需求。圖4時延估計框圖。采用廣義互相關(guān)函數(shù)(GCC)法作為時延估計方法。該方法借助于來自同一聲源的信號存在一定的相關(guān)性這一特性，通過計算麥克風(fēng)陣列接收信號之間的互相關(guān)函數(shù)，從而估計出TDoA值。GCC時延估計框圖如圖4所示。圖5軟件設(shè)計框圖?；贚abVIEW圖形化的編程方式，直接簡便，降低了程序的開發(fā)難度，減少了開發(fā)時間。LabVIEW程序包含2個主要組成部分,前面板(front panel)和程序框圖(blockdiagram)。前面板是虛擬儀器的交互式人機界面，有輸入?yún)?shù)的控制量和顯示輸出結(jié)果的指示量。程序框圖中，用數(shù)據(jù)流的連線連接前面板上控制量、指示量、結(jié)構(gòu)以及各種函數(shù)節(jié)點，實現(xiàn)儀器功能。聲源定位系統(tǒng)的主界面包含實時數(shù)據(jù)采集與結(jié)果顯示。聲源定位軟件程序流程圖如圖5所示。表I為測試結(jié)果。在實際聲場中，對真實的聲源進行測量，以檢驗聲源定位系統(tǒng)的定位效果。選擇空曠的室內(nèi)，選用的聲源為正弦波聲源。測試結(jié)果如表I所示。從實際測量數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計的系統(tǒng)的測量誤差較小，能滿足在混響和噪聲不是很強的視頻會議等場合。經(jīng)過多次實驗驗證，本系統(tǒng)定位距離為5m半徑；距離的定位精度為±15cm,角度的定位精度為±5。。 表I測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，其特征在于包括 麥克風(fēng)陣列的選擇采用平面四元十字陣模型來實現(xiàn)定位的目的； 數(shù)據(jù)采集電路本系統(tǒng)中的放大電路采用兩級放大，第一級放大電路為固定增益；第二級放大電路為可調(diào)增益，使每一路的麥克風(fēng)均可通過第二級放大電路將其輸出放大到適合的幅度范圍； 信號預(yù)處理信號預(yù)處理包括帶通濾波、分幀加窗、端點檢測； 聲源定位采用基于到達(dá)時間差的方法，通過聲音信號到達(dá)不同陣元的時間差，建立三維聲源定位模型方程組進行定位； 舵機控制通過基準(zhǔn)信號與外部所給PWM波的正脈沖持續(xù)時間進行比較，從而確定轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，其特征在于所述的進行信號預(yù)處理包括帶通濾波、分幀加窗、端點檢測，具體內(nèi)容如下 .1)預(yù)濾波采用帶通濾波器濾波，以抑制輸入信號各頻域分量中頻率超出fs/2的所有分量，防止混疊干擾，同時抑制50Hz的電源干擾； .2)分幀采用幀與幀重疊的方法，避免失幀； .3)加窗用窗函數(shù)w(n)乘信號s(n)，其表達(dá)式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，其特征在于所述的對時延進行估計的內(nèi)容如下 麥克風(fēng)接收到的信號為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，其特征在于所述的對位置進行估計，具體內(nèi)容如下 S(x, y, z)表示聲源；設(shè)&表示聲源到麥克風(fēng)Mi的距離，T u表示聲源到麥克風(fēng)Mi與Mj間的時延，r，9 [O。，90° ]，
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，其特征在于所述的舵機控制本系統(tǒng)中，舵機需要2個自由度的方向驅(qū)動，采用2個舵機固連的方式，即一個舵機連接激光筆作為第一個自由度，第二個舵機連接第一個舵機與激光筆這個整體，作為第二個自由度通過兩路PWM信號控制2個舵機的轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到定位的目的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，利用真實聲場環(huán)境下基于到達(dá)時間差的聲源定位算法搭建了基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，將LabVIEW應(yīng)用于聲源定位軟件的開發(fā)，方便地完成信號的采集與處理，運用廣義互相關(guān)函數(shù)法進行時延估計，結(jié)合平面四元十字陣模型建立方程組實現(xiàn)定位。
文檔編號G01S5/20GK102707262SQ20121020487
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者蘇淳 申請人:太倉博天網(wǎng)絡(luò)科技有限公司