基于傳聲器陣列的聲定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王永雄,劉　杰,陳家運(yùn)

（青島理工大學(xué),山東　青島　266520）

基于傳聲器陣列的聲定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王永雄,劉杰,陳家運(yùn)

（青島理工大學(xué),山東青島266520）

摘要：對(duì)當(dāng)前傳聲器陣列定位技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)等做了深入分析后，提出一種改進(jìn)的廣義互相關(guān)（GCC）時(shí)延估計(jì)算法，在元GCC算法基礎(chǔ)上，加入了加窗分幀與靜音檢測(cè)（VAD）判斷法，彌補(bǔ)了原算法針對(duì)室內(nèi)回響混響干擾的不足。系統(tǒng)以LabVIEW結(jié)合MATLAB為仿真平臺(tái)，討論了五元十字陣列在不同條件下的定位精度，實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確的對(duì)半空間域的低空聲源進(jìn)行定位，并能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)聲源判決定位，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵字：傳聲器陣列；廣義互相關(guān)；被動(dòng)定位；五元十字陣

0　引言

聲源定位技術(shù)是利用聲學(xué)和電子裝置接受并處理聲場(chǎng)信號(hào)，以確定聲源位置的一種技術(shù)。傳聲器陣列是指由若干個(gè)傳聲器按一定的幾何結(jié)構(gòu)排列而成的陣列，它具有很強(qiáng)的空間選擇性，可以在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲源的定位與跟蹤[1]。目前，傳聲陣列主要有：一字陣、十字陣、圓形陣和球星陣。它們被廣泛應(yīng)用與軍事和工業(yè)領(lǐng)域，此外，在視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、故障診斷、聲控機(jī)器人等民用項(xiàng)目中也風(fēng)靡開(kāi)來(lái)。

基于聲傳感器陣列的定位技術(shù)大體上分為三類(lèi)：（1）基于可控波束形成的定位技術(shù)；（2）基于子空間的定位技術(shù)；（3）基于到達(dá)時(shí)延估計(jì)的定位技術(shù)[2]。本文采用基于時(shí)延估計(jì)的定位技術(shù)，與其他定位技術(shù)相比，它計(jì)算量小，有利于實(shí)時(shí)快速處理。為盡可能地降低室內(nèi)混響和噪聲的影響，提高聲源定位系統(tǒng)精度，提出一種改進(jìn)的廣義互相關(guān)（GCC）時(shí)延估計(jì)算法，在元GCC算法基礎(chǔ)上，加入了加窗分幀與靜音檢測(cè)（VAD）判斷法，彌補(bǔ)了原算法針對(duì)室內(nèi)回響混響干擾的不足。在定位陣列上，文中選擇具有陣列冗余、分維特性小的平面五元十字陣，以達(dá)到測(cè)量誤差最小的目的[3]。仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的聲陣列定位成像系統(tǒng)行之有效。

1　時(shí)延估計(jì)算法

時(shí)延估計(jì)（Time-delay estimation, TDE）即時(shí)間延時(shí)估計(jì)，就是利用聲傳感器陣列接受目標(biāo)聲源信號(hào)，不同位置位置傳感器接受到的聲源信號(hào)所需要的時(shí)間不同，然后根據(jù)這個(gè)時(shí)間差值來(lái)確定目標(biāo)信號(hào)的空間位置[4]。

對(duì)于TDE算法，其中廣義互相關(guān)（GCC）算法應(yīng)用最為廣泛[5]。通過(guò)求兩信號(hào)之間的互功率譜，并在頻域內(nèi)給予接受信號(hào)一定的加權(quán)，來(lái)抑制噪聲和反射的影響，再將加權(quán)后信號(hào)反變換到時(shí)域得到兩信號(hào)之間的互相關(guān)函。其峰值位置即為兩信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)延。

以?xún)蓚€(gè)拾音器為例，設(shè) X1（n），X1（n）, 分別是拾音器到信號(hào)源之間的數(shù)字信號(hào)波形,分別為：

式中，V1（n），V2（n）表示通道噪聲，假設(shè)為高斯白噪聲。

拾音信號(hào)間的廣義互相關(guān)函數(shù)為：

圖1　時(shí)延估計(jì)流程

2　五元十字陣

在各種陣型定位方式中，五元十字陣有利于室內(nèi)布陣，對(duì)三維空間的目標(biāo)定位精度高。平面五元十字陣的定位原理如圖2所示。

圖2　平面五元十字陣原理圖

經(jīng)過(guò)處理化簡(jiǎn)最后可得：

3　時(shí)延估計(jì)算法的改進(jìn)

對(duì)于室內(nèi)混響模型的建立，我們針對(duì)性對(duì)其設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)（GCC）算法，以盡可能地消除降低室內(nèi)混響和噪聲的影響，提高聲源定位系統(tǒng)精度。改進(jìn)后的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法框圖如圖3所示：

圖3　改進(jìn)算法框圖

假設(shè)兩傳聲器信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波處理和幅值標(biāo)準(zhǔn)化，A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換后分別為x1（n），x2（n），加窗選擇漢明窗，采樣點(diǎn)為512，重疊1/2，選擇半重疊漢明窗的好處是可以使互相關(guān)函數(shù)的峰值更加尖銳，語(yǔ)音信號(hào)互功率譜估計(jì)的精度也就得以提高。

4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1傳感器

該系統(tǒng)的硬件包括一個(gè)含4個(gè)高保真監(jiān)聽(tīng)拾音器組成的平面十字傳聲器陣列。

4.2數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡采用北京啟創(chuàng)莫非電子科技公司的MPS-010602，它是基于USB總線。該數(shù)據(jù)采集卡提供了采用C,C++，LabVIEW等多種編程語(yǔ)言編寫(xiě)的庫(kù)函數(shù)，方便使用者編寫(xiě)調(diào)用。

4.3信號(hào)調(diào)理

為了將信號(hào)調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，以便充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程分辨率，這里對(duì)由高通濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行再次放大。主要放大器電路如圖4所示。

圖4　信號(hào)調(diào)理電路

4.4軟件設(shè)計(jì)

近幾年流行的LabVIEW是一種圖形化編程方式，LabVIEW實(shí)現(xiàn)界面簡(jiǎn)便，但對(duì)算法的支持非常有限；Matlab具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫(kù)，但界面開(kāi)發(fā)能力較差。基于以上原因，利用混合編程技術(shù)在LabVIEW中調(diào)用和操作Matlab，就可以相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件組成

采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)主控程序界面如圖6所示。

圖6　主控程序界面

5　實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)論

對(duì)于平面十字陣進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)傳感器采集信號(hào)，并在系統(tǒng)中對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理。用多路傳感器進(jìn)行采集，采集的信號(hào)及處理結(jié)果如圖7所示。

圖7　輸入信號(hào)時(shí)域波形

時(shí)延估計(jì)值對(duì)應(yīng)圖中相關(guān)函數(shù)峰值的位置，采樣率由于受到了限制，時(shí)延估計(jì)的大小只能取到199Ts，這種情況滿(mǎn)足不了實(shí)驗(yàn)要求，為了提高時(shí)延估計(jì)精度，采用插值法和時(shí)域相關(guān)法，進(jìn)行時(shí)延估計(jì)處理采集到的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

圖8　改進(jìn)的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)

將所得時(shí)延值代入編寫(xiě)好的對(duì)聲源點(diǎn)的計(jì)算的LabVIEW中的Matlab窗口程序中，我們選擇陣形大小L=0.705m，將陣形用于室內(nèi)聲源目標(biāo)定位，聲速取C=340m/s。圖9是平面五元十字陣的定位仿真。

圖9　五元十字陣定位結(jié)果

仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可行，能夠達(dá)到比較高的定位精度，定位誤差小，能滿(mǎn)足精確被動(dòng)聲定位的要求。本文的研究對(duì)室內(nèi)低空目標(biāo)的定位跟蹤和識(shí)別均有重要的研究參考價(jià)值和工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳華偉.低空目標(biāo)聲測(cè)無(wú)源定向理論與算法研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]張偉.基于傳聲器陣列的被動(dòng)聲定位研究[D].南京：南京理工大學(xué),2006.

[3]張莉.基于傳聲器陣列的聲源定位方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)圖書(shū)館,2007.

[4]孫韶杰，孫紹俊，一種改進(jìn)的聲測(cè)定位時(shí)延估計(jì)算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006（11）：2696-2698；

[5]Bian X, Rehg J, Abowd G.Sound Source Localization in Domestic Environment.in：Pervasive Computing：Third International Conference.2004.19-36.

[6]Allen J, Berkley D.Image method for efficiently simulating small-room acoustics.J.Acoust.Soc.Am.1979（04）：943-950.

[7]周浩洋.基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法研究[D].大連：大連理大學(xué),2007.