二維聲源定位技術(shù)研究學(xué)士學(xué)位論文

1、摘 要確定一個(gè)聲源在空間中的位置是一項(xiàng)有廣闊應(yīng)用前景的有趣研究，將來(lái)可以廣泛的應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。聲源定位估計(jì)算法研究是聲源定位技術(shù)中的重點(diǎn)內(nèi)容。而基于聲傳感器的聲源定位技術(shù)能夠?qū)κ叭〉膸г肼曅盘?hào)進(jìn)行有效的空域?yàn)V波和消噪處理，在一定程度上改善聲源定位系統(tǒng)的性能。聲源定位是通過(guò)測(cè)量物體發(fā)出的聲音對(duì)物體定位，與使用聲納、雷達(dá)、無(wú)線通訊的定位方法不同，前者信源是普通的聲音，是寬帶信號(hào)，而后者信源是窄帶信號(hào)。根據(jù)聲音信號(hào)特點(diǎn)，人們提出了不同的聲源定位算法，但由于信號(hào)質(zhì)量、噪聲和混響的存在，使得現(xiàn)有聲源定位算法的定位精度較低。此外，已有的聲源定位方法的運(yùn)算量較大，難以實(shí)時(shí)處理。為解決這些問(wèn)題

2、，本文系統(tǒng)地研究了基于傳聲器陣列的聲源定位方法，主要做了以下一些工作：首先對(duì)傳聲器陣列及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總體概述，討論了基于傳聲器陣列的聲源定位所面臨的問(wèn)題，重點(diǎn)分析了傳聲器陣列信號(hào)處理的特殊性和混響的產(chǎn)生原因及影響。其次總結(jié)歸納并比較了各種基于傳聲器陣列聲源定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后重點(diǎn)分析了基于時(shí)延估計(jì)（itd）和強(qiáng)度差異(iid)的聲源定位方法。關(guān)鍵詞：傳聲器陣列；聲源定位；itd；iid；matlab abstractidentify a sound source location in space is an interesting research, has a broad appli

3、cation prospect in the future can be widely used in all aspects of the social production and life. sound source localization estimation algorithm research is the key content in sound source localization technology. and of sound source localization based on acoustic sensor technology to be able to pi

4、ck up the belt noise signal spatial filtering and de-noising processing, effectively improves the performance of the beamformer system to some extent.beamformer is determined by measuring the sound coming from an object to locate objects, and the use of sonar, radar, wireless positioning method is d

5、ifferent, the former source is normal voice, broadband signals, while the latter source is a narrowband signal. according to characteristics of voice signal, people put forward different sound source localization algorithm, but because of signal quality, noise and reverberation, make existing positi

6、oning accuracy of sound source localization algorithm is low. in addition, the existing sound source localization method computational cost is larger, hard to real-time processing. to solve these problems, this paper systematically studied the method of sound source localization based on microphone

7、array, mainly done the following work:firstly,the microphone array and its research present situation has carried on the overall overview, discussed the problem of sound source localization based on microphone array, and focuses on analyzing the particularity of microphone array signal processing an

8、d reverberation of causes and effects.the second,sums up and compares the advantages and disadvantages of various kinds of sound source localization based on microphone array method.finally analyzed based on time delay estimation (itd) and intensity difference (iid) of the sound source locating meth

9、od.key words: microphone array; sound source localization; itd; iid; matlab目錄1 緒 論11.1 研究背景和意義11.2 聲源定位技術(shù)概述及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)的模型與難點(diǎn)31.4 本文的主要工作和內(nèi)容安排52 幾種定位方法的介紹62.1 聲音信號(hào)分析62.2 聲源定位方法的分類(lèi)和比較62.2.1 基于最大輸出功率的可控波束的聲源定位62.2.2 基于高分辨率譜估計(jì)的聲源定位72.2.3 基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位82.2.4 定位方法比較92.3 常用處理方法及分析102.3.1 經(jīng)典波束

10、形成器法102.3.2 最小均方自適應(yīng)濾波器法103 基于時(shí)延（itd）的方位估計(jì)123.1 傳感器概述和聲源的幾何模型123.1.1 雙傳聲器幾何模型與分析123.1.2 傳感器的特性與選擇143.2 幾何定位方法163.3 信息的采集與處理173.3.1 數(shù)據(jù)采集方法173.3.2 聲音信號(hào)的處理183.3.3 聲源到傳聲器間距離差的計(jì)算183.3.4 聲源位置的計(jì)算與仿真193.4 程序測(cè)試與誤差分析214 基于強(qiáng)度差異（iid）的方位估計(jì)244.1 方法概述與分析244.2 聲源方位估計(jì)的實(shí)現(xiàn)254.2.1 數(shù)據(jù)的采集254.2.2 聲壓幅比的計(jì)算方法264.2.3 聲源位置的計(jì)算與仿

11、真274.3 程序測(cè)試與誤差分析28結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33附錄a 英文原文34附錄b 漢語(yǔ)翻譯38附錄c 源代碼401 緒 論1.1 研究背景和意義聲源定位多年來(lái)一直作為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)課題，被引起廣泛的關(guān)注。聲源定位起初主要應(yīng)用在軍事方面，如水下潛艇定位，直升機(jī)定位，雷達(dá)探測(cè)定位，導(dǎo)彈飛行定位等。而如今，隨著信息社會(huì)的發(fā)展和科技水平的進(jìn)步，聲源定位技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，不僅在軍事領(lǐng)域，而且在科學(xué)研究、日常生活中都得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。目前，聲源定位技術(shù)在水下目標(biāo)定位、地震探測(cè)和非金屬材料的無(wú)損檢測(cè)中具有重要的實(shí)用價(jià)值，在視頻會(huì)議、可視電話、監(jiān)控系統(tǒng)、助聽(tīng)裝置、魯棒語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛

12、的應(yīng)用。在聲源定位中，對(duì)聲信號(hào)的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理是定位系統(tǒng)的重要組成部分，也是進(jìn)行定位的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。而在這個(gè)環(huán)節(jié)中，通過(guò)傳感器、中間變換器等一些設(shè)備來(lái)接受聲信號(hào)而導(dǎo)致聲-電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)包含有豐富的信息內(nèi)容，同時(shí)也在系統(tǒng)外部和內(nèi)部各種因素的影響下必然在輸出的信號(hào)中夾雜著很多不需要的成分，這就要求我們應(yīng)盡量剔除混雜在信號(hào)中的噪聲和干擾，削弱信號(hào)中的多余內(nèi)容，將有用信號(hào)強(qiáng)化、突出，以利于分析計(jì)算，盡量將信號(hào)變換成符合要求的形式，而傳感器是承擔(dān)獲取信號(hào)的任務(wù)的重要器件，因此它也是整個(gè)定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。在無(wú)干擾噪聲、混響的情況下，距離聲源很近的高靈敏度、高精確度和頻率響應(yīng)的傳感器能夠獲得高質(zhì)量的

13、聲源信號(hào)。但是，這要求聲源和傳感器之間的位置相對(duì)固定。若聲源相對(duì)傳感器運(yùn)動(dòng)或位于選擇方向之外，就會(huì)引入大量的噪聲，導(dǎo)致參數(shù)估計(jì)的精確度下降。此時(shí)可以使用多個(gè)傳感器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理而達(dá)到相應(yīng)的要求，這些傳感器通過(guò)測(cè)量聲源定位算法中所需信號(hào)的相應(yīng)參數(shù)，確定出聲源位置。二維平面中，普遍采用的算法即測(cè)量到達(dá)兩個(gè)傳感器間時(shí)延，確定一對(duì)以這兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線，三個(gè)節(jié)點(diǎn)可形成兩對(duì)雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)即為聲源位置。而在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)情況是在的近場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行的，由于陣列的空域?yàn)V波方法的差異及誤差的存在，并且技術(shù)還有待完善，因此對(duì)聲源定位問(wèn)題的研究具有很強(qiáng)的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。1.2 聲源定位

14、技術(shù)概述及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代以來(lái)，傳感器陣列信號(hào)處理技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，并在雷達(dá)、聲納及通信中得到廣泛的應(yīng)用。這種陣列信號(hào)處理的思想后來(lái)應(yīng)用到語(yǔ)音信號(hào)處理中。在1985年flanagan將傳聲器陣列引入到大型會(huì)議的語(yǔ)音增強(qiáng)應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)出多種實(shí)際產(chǎn)品。之后，silverman和brandstein將其應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別和聲源定位中。進(jìn)入90年代以來(lái)，基于傳聲器陣列的語(yǔ)音處理算法正逐漸成為一新的研究熱點(diǎn)?；趥髀暺麝嚵械漠a(chǎn)品能夠廣泛利用于具有復(fù)雜背景的語(yǔ)音通信環(huán)境，例如會(huì)場(chǎng)、多媒體教室、車(chē)載免提電話和助聽(tīng)器等。目前國(guó)外從事傳聲器陣列相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)主要有:intel、寶利通、東芝等。但是國(guó)內(nèi)

15、并沒(méi)有類(lèi)似的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，所以對(duì)于該技術(shù)的研究具有較為領(lǐng)先的意義。出現(xiàn)較早，并且在實(shí)際中應(yīng)用的傳感器陣列的信號(hào)處理方法是波束形成法1，在這種方法中，基陣的輸出是各個(gè)陣元輸出的簡(jiǎn)單的加權(quán)求和，通過(guò)調(diào)整權(quán)系數(shù)可以在希望的方向上形成波束，而對(duì)其余的方向產(chǎn)生較小的響應(yīng)。然后對(duì)整個(gè)觀測(cè)空間做波束掃描即可確定信號(hào)的方位。但是，基陣的分辨率受瑞利準(zhǔn)則的限制，是這種方法自身無(wú)法解決的問(wèn)題。時(shí)延估計(jì)的理論和技術(shù)是由水聲目標(biāo)定位及信號(hào)處理發(fā)展脫穎而出的?，F(xiàn)代聲納的研究始于20世紀(jì)初，到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，各種聲納裝置己經(jīng)被廣泛地用于水中兵器。自20世紀(jì)五十年代以來(lái)，隨著信息論、信號(hào)檢測(cè)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛

16、速發(fā)展，以及各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(shí)延估計(jì)的需求，時(shí)延估計(jì)理論得到了迅速的發(fā)展。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，除了對(duì)以往的方法進(jìn)行擴(kuò)展和深入研究以外，又發(fā)展了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延估計(jì)方法，基于譜相關(guān)理論的時(shí)延估計(jì)方法和各種自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法等。新世紀(jì)以來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的廣泛使用，人們將傳感器與測(cè)量系統(tǒng)電路制作在同一塊硅片上，得到體積小、性能好、功能強(qiáng)的集成傳感器，使傳感器的信號(hào)處理功能大大提升，相應(yīng)產(chǎn)品被廣泛使用于具有復(fù)雜背景的通信環(huán)由走動(dòng)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著軍事裝備需求、集成電路規(guī)模和制造工藝水平的發(fā)展，作為信號(hào)處理方向的一個(gè)重要分支，基于傳感器的信號(hào)處理技術(shù)得到了人們空前的關(guān)注，其有關(guān)

17、的理論和技術(shù)也越來(lái)越成熟。與常規(guī)波束形成法比較，改善后的這些高分辨算法都在一定程度上增強(qiáng)了基陣的分辨率，但這些處理方法有一個(gè)相同的問(wèn)題，即對(duì)相干源的處理。聲源定位是通過(guò)測(cè)量發(fā)聲體的物理特性對(duì)物體進(jìn)行定位。實(shí)際中，根據(jù)對(duì)目標(biāo)的定位方式不同可分為有源和無(wú)源定位兩種。有源定位是系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)射并接收返回信號(hào)，由信號(hào)的往返時(shí)間延遲差別來(lái)判斷出估計(jì)目標(biāo)的速度、距離或位置等參量，以此完成系統(tǒng)定位的方式。例如，聲納和雷達(dá)就是采用有源定位方式進(jìn)行工作的。它們的工作原理是主動(dòng)發(fā)出電磁波對(duì)估計(jì)目標(biāo)進(jìn)行搜索，當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)后，其中一部分信號(hào)返回相應(yīng)的設(shè)備處理系統(tǒng)并對(duì)信息進(jìn)行算法分析，從而對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行定位。有源定位

18、系統(tǒng)具有高精度、全天候等特點(diǎn)，但這種定位系統(tǒng)常常是靠發(fā)射大功率信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，較容易受到外部環(huán)境的影響。相對(duì)而言，無(wú)源定位不主動(dòng)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，而是憑借對(duì)估計(jì)目標(biāo)發(fā)出信號(hào)的采集處理來(lái)進(jìn)行目標(biāo)定位。其原理是將設(shè)備采集到的定位參數(shù)信息，如信號(hào)聲場(chǎng)信息等，通過(guò)處理運(yùn)算而確定出估計(jì)目標(biāo)的方位或距離參量來(lái)完成系統(tǒng)定位。無(wú)源定位的特點(diǎn)是一般很少存在系統(tǒng)干擾，具有較高的隱蔽性和安全性。但由于系統(tǒng)不發(fā)射電磁信號(hào)，所以必須要通過(guò)探測(cè)由估計(jì)目標(biāo)發(fā)射出的信號(hào)或經(jīng)一定區(qū)域反射回的信號(hào)才能夠進(jìn)行系統(tǒng)定位，否則不能定位。利用傳感器等設(shè)備對(duì)目標(biāo)發(fā)出的聲音信號(hào)進(jìn)行拾取，并使用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析處理，以此來(lái)判斷目標(biāo)的空間方

19、位，是目前研究聲源定位系統(tǒng)確定目標(biāo)位置的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國(guó)際上一些大公司如西門(mén)子、寶利通、東芝等早已成立了專(zhuān)門(mén)用于研究定位技術(shù)的一些部門(mén)。相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究還不是很多，在聲源定位方面的很多方法也僅能夠提供仿真結(jié)果支持。1.3 基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)的模型與難點(diǎn)在深入研究聲源二維定位的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以知道系統(tǒng)有很多擬要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，要保證系統(tǒng)的高精度和實(shí)時(shí)性，還有很多難點(diǎn)需要處理，如下第一，嚴(yán)格意義上，聲源的存在形式是空間三維的，但考慮到實(shí)際研究中，三維空間的背景環(huán)境和算法復(fù)雜度，又根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，三維空間可以看成是無(wú)數(shù)個(gè)二維平面的累積，即可以把其劃分成對(duì)無(wú)數(shù)個(gè)二維平面的積分。對(duì)

20、二維平面定位的研究也就是聲源（空間）定位的基礎(chǔ)，故本實(shí)驗(yàn)的研究重點(diǎn)是在二維平面中進(jìn)行。第二，在聲源定位系統(tǒng)中，單個(gè)傳感器只能顯示在某一時(shí)刻有聲源信號(hào)發(fā)射，并不能確定聲源的位置信息，而系統(tǒng)為提供足夠的參量對(duì)聲源的定位就要求多傳感器協(xié)調(diào)工作。聲源定位系統(tǒng)的定位性能與聲傳感器擺放的位置有很大關(guān)系，由于環(huán)境噪聲及傳感器性能等因素的影響，聲源在遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)，同側(cè)或異側(cè)的定位效果是不同的，合理地安排調(diào)整傳感器的布局，才能使系統(tǒng)的定位性能提高到一定標(biāo)準(zhǔn)。第三，聲源發(fā)射的聲信號(hào)一般是非平穩(wěn)信號(hào)。在窄帶信號(hào)條件下，各個(gè)傳感器之間相位差可近似看成是發(fā)射信號(hào)源的位置函數(shù)，頻率是一常量；而在寬帶非調(diào)制信號(hào)條件下，各個(gè)傳

21、感器之間相位差是聲信號(hào)源位置和頻率的復(fù)合函數(shù)。又考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在一定的信號(hào)反射與混響，信號(hào)與噪聲或噪聲與噪聲之間可能是相關(guān)的，信號(hào)在頻域和時(shí)域互相疊加，此時(shí)需采用時(shí)頻聯(lián)合的方法進(jìn)行處理，對(duì)不同方向的信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)估計(jì)，而傳統(tǒng)的分析方法如傅立葉變換無(wú)法對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析。為了說(shuō)明基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)的模型與難點(diǎn)，圖1.1詳細(xì)描繪了一個(gè)傳聲器陣列聲源定位應(yīng)用的實(shí)際情況。由圖1.1可知，傳聲器陣列系統(tǒng)定位聲源的精度受多方面因素的影響。第一是噪聲和反射的噪聲；第二是聲源的多重反射（即混響）；第三是聲源與傳聲器的相對(duì)位置。圖1.1 傳聲器陣列聲源定位系統(tǒng)描述 假定聲音傳播滿足線性波動(dòng)方程，且周?chē)?/p>

22、環(huán)境在一段時(shí)間內(nèi)不變，則從聲源到傳聲器之間可看成線性時(shí)不變系統(tǒng)?？稍O(shè)聲源信號(hào)為s (n)，第i個(gè)傳聲器接收到的信號(hào)為 xi (n)，若噪聲為高斯白噪聲，則xi (n)=hi (n)*si (n)+ i(n) (1.1)其中hi (n)是周?chē)h(huán)境的脈沖沖激響應(yīng)，i(n)是高斯白噪聲。一個(gè)高精度聲源定位系統(tǒng)所面臨的難點(diǎn)主要有：（1）由于聲音的反射，傳聲器不僅收到聲音信號(hào)的直接到達(dá)部分，還收到反射部分。而聲音的反射會(huì)導(dǎo)致互相關(guān)函數(shù)或者波束的尖峰擴(kuò)展，使得難以確定最大值，從而加大了定位的誤差。（2）定位系統(tǒng)不僅受到噪聲的干擾，而且由于噪聲的反射，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)噪聲。這樣各傳聲器間噪聲的互相關(guān)函數(shù)就不等于零

23、，從而增大了定位的難度。（3）傳聲器位置的擺放。對(duì)于一個(gè)定位系統(tǒng)而言，傳聲器的數(shù)量越多，傳聲器的相對(duì)位置越多樣化，提供的空間信息量越大，從而具有較高的定位精度。而在實(shí)際系統(tǒng)中，傳聲器的擺放位置比較固定，數(shù)量也比較少。因此難點(diǎn)就是在盡量少的傳聲器和固定擺放位置條件下，提供高的定位精度。1.4 本文的主要工作和內(nèi)容安排實(shí)現(xiàn)一個(gè)可仿真的二維聲源定位系統(tǒng)是本論文的目的。在算法研究比較充分的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聲源定位。本文對(duì)傳聲器陣列聲源定位系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要工作如下：（1）介紹了幾種聲源定位方法，總結(jié)歸納了各種基于傳聲器陣列的定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)。（2）重點(diǎn)研究了時(shí)延估計(jì)方法，討論了各種時(shí)

24、延估計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。歸納比較了各種基于時(shí)延的方位估計(jì)方法。（3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可仿真的聲源定位系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)分析了各種影響因素對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響，并給出了改進(jìn)方案。本論文的各章主要內(nèi)容安排如下：第一章，介紹了系統(tǒng)的應(yīng)用背景和研究現(xiàn)狀。第二章，分析了聲源定位原理和幾種聲源定位方法。第三章，給出了基于時(shí)間差（itd）的聲源定位設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了傳聲器的選擇與布局、算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。第四章，給出了基于聲壓差（iid）的聲源定位設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了算法的改動(dòng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。第五章，總結(jié)了本論文

25、所完成的工作，分析了其中的長(zhǎng)處和不足，并提出了對(duì)后續(xù)研究工作的建議。2 幾種定位方法的介紹2.1 聲音信號(hào)分析聲源體發(fā)生振動(dòng)會(huì)引起四周空氣振蕩，那種振蕩方式就是聲波。聲波借助空氣向四面八方傳播。在開(kāi)闊空間的空氣中那種傳播方式像逐漸被吹大的肥皂泡，是一種球形的陣面波。除了空氣，水、金屬、木頭等也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好介質(zhì)。在真空狀態(tài)中聲波就不能傳播了。聲音在不同的介質(zhì)中的傳播速度不同。聲音的速度受溫度影響，溫度越高，速度越快。在15時(shí)，聲音在空氣中的傳播速度為340m/s，25時(shí)為346m/s。它和溫度的關(guān)系可以用以下公式來(lái)表示：c =331.45 +0.61t(m/s) (2.1)

26、在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關(guān)，其次是溫度、濕度、氣壓等。2.2 聲源定位方法的分類(lèi)和比較聲源定位技術(shù)就是利用相關(guān)設(shè)備、方法對(duì)聲源進(jìn)行位置、距離或速度等一些參數(shù)進(jìn)行確定。常用的聲源定位技術(shù)主要有以下幾類(lèi)：基于最大輸出功率的可控波束的聲源定位、基于高分辨率譜估計(jì)的聲源定位、基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位和基于波達(dá)方向估計(jì)的聲源定位。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，有以下五種聲源定位原理。2.2.1 基于最大輸出功率的可控波束的聲源定位基于最大輸出功率的可控波束的聲源定位方法通過(guò)使各個(gè)傳感器陣元采集得到的信號(hào)時(shí)間移位進(jìn)而來(lái)補(bǔ)償聲源到達(dá)不同傳感器陣元之間的時(shí)延量

27、。將補(bǔ)償后獲得的信號(hào)再相加，求其均值即為傳感器系統(tǒng)（陣列）的輸出。而此時(shí)，各路傳感器的陣元信號(hào)中，存在與對(duì)應(yīng)目標(biāo)聲源的信號(hào)成分同相的部分則相加，其他方位的信號(hào)則會(huì)導(dǎo)致陣列輸出在該方位上存在不同程度的衰減，這樣就可以通過(guò)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和并調(diào)控權(quán)值找出使傳感器的輸出信號(hào)功率最大值處，在該系統(tǒng)滿足最大似然準(zhǔn)則的條件下，以搜索聲源的估計(jì)位置的方式來(lái)形成波束，并使得波束對(duì)準(zhǔn)聲源點(diǎn)以獲得此最大信號(hào)輸出功率，確定出陣列最大輸出方向就是該聲源的方向，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)聲源的位置定位。現(xiàn)如今，基于聲傳感器的可控波束形成定位技術(shù)在語(yǔ)音拾取領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，但定位系統(tǒng)若要對(duì)聲源的定位達(dá)到一定的可靠性還比較困難，主要是

28、因?yàn)檫@種方法的算法運(yùn)算量很大且需要對(duì)全局進(jìn)行搜索，較難實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。而為減少算法的運(yùn)算量使用一些迭代方法處理時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果僅收斂于幾個(gè)局部最大值的情況，從而無(wú)法計(jì)算出系統(tǒng)有效的全局峰值影響系統(tǒng)定位，并且基于最大輸出功率的可控波束的定位對(duì)初始的搜索值和聲源發(fā)射信號(hào)的頻譜特性較為敏感，就會(huì)使其絕大多數(shù)的最優(yōu)化準(zhǔn)則都是要求于對(duì)背景噪聲和聲源頻譜特性的先驗(yàn)知識(shí)的前提下。所以，可知該類(lèi)方法在實(shí)際的應(yīng)用中系統(tǒng)的性能差異較大且運(yùn)算復(fù)雜，不適合實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，這就使得該類(lèi)方法的應(yīng)用范圍受到了一定的影響。2.2.2 基于高分辨率譜估計(jì)的聲源定位基于高分辨譜估計(jì)的聲源定位方法是通過(guò)接收聲源的發(fā)射信號(hào)相關(guān)矩陣的空間

29、譜信息，以聲源和噪聲子空間的正交性為基本要求，使用陣列自相關(guān)矩陣中主特征向量的主分量或噪聲子空間的特征向量值，對(duì)各個(gè)聲傳感器間的相關(guān)矩陣求解并進(jìn)行相關(guān)的譜估計(jì)，找到目標(biāo)的方向角并確定出聲源的估計(jì)位置坐標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中，常常通過(guò)使用時(shí)間均值來(lái)確定譜估計(jì)中信號(hào)之間的相關(guān)矩陣特性，但這種方法必須以聲源信號(hào)是參數(shù)固定不變的平穩(wěn)信號(hào)為前提條件，而在通常情況下聲源發(fā)出的信號(hào)僅是一個(gè)短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)，所以現(xiàn)實(shí)中往往不能夠滿足該條件。與可控波束形成技術(shù)定位法相比，該定位法的性能和可靠性較低，而算法的迭代運(yùn)算量的復(fù)雜程度也相對(duì)較低。此外，在定位過(guò)程中需要先假定具有相同特性的多個(gè)聲傳感器和一個(gè)理想聲源，這在實(shí)際環(huán)境中較

30、難做到。該定位技術(shù)的效果對(duì)混響的影響較大且要求各個(gè)傳感器置于窄帶信號(hào)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，而聲源產(chǎn)生的信號(hào)是寬帶信號(hào)。目前，對(duì)空間譜估計(jì)的絕大多數(shù)研究方法是針對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)情況，即處理的接收信號(hào)具有較高的中心頻率且信號(hào)的最高頻率與最低頻率之間的差值相對(duì)較小，也就是信號(hào)的分?jǐn)?shù)帶寬小于 0.01。此時(shí)，傳感器的各個(gè)陣元之間的接收信號(hào)可近似看成是單頻信號(hào)，時(shí)域參量可通過(guò)相移來(lái)補(bǔ)償。而現(xiàn)有的一些寬帶信號(hào)處理技術(shù)是在分?jǐn)?shù)帶寬為 0.01 至 1.0 的范圍內(nèi)進(jìn)行的，但在目前多數(shù)的聲源定位處理中，接收信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)制，其相位差就會(huì)由聲源的特性來(lái)決定。傳感器可以接收的信號(hào)范圍是低頻率 100hz 左右，高頻

31、4000hz 左右，少數(shù)甚至可達(dá)到 16khz，這時(shí)的分?jǐn)?shù)帶寬接近 2.0，此時(shí)不能用相移來(lái)補(bǔ)償由時(shí)域參量引起的隨頻率差異出現(xiàn)的相位差。所以，使用現(xiàn)有的一些窄（寬）帶的信號(hào)處理方法，很難去解決實(shí)際中的聲源定位問(wèn)題。2.2.3 基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位人對(duì)聲源的定位主要用到了聲音幅度這個(gè)物理量，而機(jī)器卻可以精確的測(cè)量聲音的相位。由于聲波在空氣中以一定速度傳播，到達(dá)設(shè)置于不同位置的傳聲器的相位不同，根據(jù)這些傳聲器對(duì)同一聲音采集時(shí)的相位差別，我們可以計(jì)算出同一聲音到達(dá)每對(duì)傳聲器的時(shí)間差值（又叫時(shí)延值）。圖2.1是到達(dá)時(shí)間差t的示意圖。如果我們得到了某個(gè)聲源發(fā)出的聲音到達(dá)一對(duì)傳聲器的時(shí)延值，則這個(gè)聲源就

32、處于以這對(duì)傳聲器所處的位置為焦點(diǎn)，到達(dá)時(shí)延所對(duì)應(yīng)的聲音傳輸距離為參數(shù)的雙曲面上。使用多對(duì)傳聲器得到多個(gè)時(shí)延值，也就得到了多個(gè)雙曲面，聲源位置就處于這些雙曲面的相交點(diǎn)。合適的安排傳聲器的位置，可以使得雙曲面的交點(diǎn)只有一個(gè)，這點(diǎn)就是我們要的聲源位置。大多數(shù)聲源定位是基于時(shí)延的方法，提高對(duì)時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確程度是這種方法的關(guān)鍵，而要得到準(zhǔn)確的時(shí)延估計(jì)必須要確保有高效的信號(hào)采集能力。圖2.1到達(dá)時(shí)間差t的示意圖基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位方法是通過(guò)對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上的傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得相應(yīng)的時(shí)延參量信息并建立相應(yīng)幾何模型進(jìn)行計(jì)算，從而根據(jù)聲源信號(hào)到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間不同確定出目標(biāo)聲源的估計(jì)位置坐標(biāo)，實(shí)

33、現(xiàn)聲源定位過(guò)程。例如，在二維平面中，聲源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)兩個(gè)不同傳感器的測(cè)量而得到的時(shí)間差，確定的是一條經(jīng)過(guò)此聲源點(diǎn)并以此兩個(gè)傳感器為焦點(diǎn)的雙曲線，利用三傳感器形成的兩對(duì)時(shí)延信息確定的兩條雙曲線產(chǎn)生的交點(diǎn)，再由一些測(cè)量信息排除虛假點(diǎn)，從而就能確定出聲源的位置。所以，時(shí)延定位技術(shù)又可稱(chēng)作雙曲線定位，它是利用建立數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算的一種簡(jiǎn)單有效的聲源定位方法。如今，該定位方法在智能導(dǎo)航、聲納探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。系統(tǒng)設(shè)備首先對(duì)聲源到達(dá)各個(gè)傳感器之間相對(duì)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，然后利用這些估計(jì)時(shí)延，確定出聲源的估計(jì)位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聲源定位過(guò)程。但在時(shí)延定位方法中，聲源發(fā)出信號(hào)后，聲傳感器采集端的信號(hào)的測(cè)量及處理的

34、能力對(duì)系統(tǒng)定位的精度起著決定性的影響，因此，對(duì)提高時(shí)延定位精度方面的研究是測(cè)量系統(tǒng)需要解決的重要內(nèi)容。為了處理傳感器對(duì)聲源信號(hào)測(cè)量得到的帶噪信號(hào)，常用廣義互相關(guān)估計(jì)、最小均方估計(jì)等使定位的誤差盡可能的降低為最小，也可用不需要迭代的球面相交法、球面求補(bǔ)法和平面相交法等，這些方法都可直接求得目標(biāo)聲源的估計(jì)位置，使系統(tǒng)獲得較高的定位精度。與現(xiàn)有的一些聲源定位技術(shù)相比，基于時(shí)延估計(jì)的定位方法具有較高的定位性能，運(yùn)算量不大，硬件設(shè)備要求不高，可在實(shí)際中低成本實(shí)現(xiàn)。但是該定位方法需要通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行，即時(shí)延估計(jì)和定位計(jì)算，這就可能會(huì)導(dǎo)致由時(shí)延估計(jì)過(guò)程中存在的混響噪聲、反射量化等因素引起的誤差，通過(guò)算法的

35、運(yùn)行傳遞給下一步，從而影響了整個(gè)定位系統(tǒng)的精確度，另外，該方法在對(duì)單聲源定位時(shí)可獲得較好的定位效果，而當(dāng)環(huán)境中存在有多個(gè)聲源時(shí)，對(duì)其定位的結(jié)果可能會(huì)存在較大的偏差。2.2.4 定位方法比較在這三種定位方法中，基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)是出現(xiàn)較早且已在實(shí)際中應(yīng)用的一種定位方法，較多的用于雷達(dá)、聲吶以及移動(dòng)通信的信號(hào)處理中?？煽夭ㄊ纬杉夹g(shù)本質(zhì)上是一種最大似然估計(jì)，它需要聲源和環(huán)境噪聲的先驗(yàn)知識(shí)。而實(shí)際使用中，這種先驗(yàn)知識(shí)往往很難獲得?；诟叻直媛首V估計(jì)的定位方法是通過(guò)時(shí)間平均來(lái)估計(jì)信號(hào)之間的相關(guān)矩陣，需要信號(hào)是平穩(wěn)過(guò)程，估計(jì)參數(shù)固定不變，而聲音信號(hào)是一個(gè)短時(shí)平穩(wěn)過(guò)程，往往不能滿足這個(gè)條件

36、。該定位方法的效果和穩(wěn)定性不如可控波束形成法，但每次迭代的計(jì)算復(fù)雜度不像可控波束形成那么苛刻。此外還須假定理想的信號(hào)源和相同特性的傳聲器等，在實(shí)際環(huán)境中不可能做到這點(diǎn)?；跁r(shí)延估計(jì)的定位方法在運(yùn)算量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可控波束和譜估計(jì)法，可以考慮在實(shí)際中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。但是該方法也有不足之處。其一，估計(jì)時(shí)延和估計(jì)方位分成兩階段來(lái)完成，因此在定位階段用的參數(shù)已經(jīng)是對(duì)過(guò)去時(shí)間的估計(jì)，這在某種意義上只是對(duì)聲源位置的次最優(yōu)估計(jì)；其二，時(shí)延定位的方法比較適合于單聲源的定位，而對(duì)多聲源的定位就束手無(wú)策；其三，在有較強(qiáng)反射和噪聲的情況下，往往很難獲得精確的時(shí)延，從而導(dǎo)致第二步的定位產(chǎn)生很大的誤差。雖然如此，但由于時(shí)延估計(jì)定

37、位方法的運(yùn)算量比較低，而且在適當(dāng)改進(jìn)后，在一定的噪聲和反射下有比較好的定位精度，因此適合于在實(shí)際中實(shí)時(shí)應(yīng)用。2.3 常用處理方法及分析2.3.1 經(jīng)典波束形成器法經(jīng)典波束形成器法，又稱(chēng)延遲-相加法或傅里葉法，它是利用電子引導(dǎo)的方式將波束調(diào)整至任意角度，以尋找陣列的最大輸出功率方向。圖 2.2 給出了波束形成器的基本結(jié)構(gòu)，而輸出信號(hào) y ( k )為傳感器陣列各個(gè)陣元輸出的線性加權(quán)和，即有圖2.2經(jīng)典波束形成器的結(jié)構(gòu)在經(jīng)典波束形成算法中，形成波束的會(huì)在測(cè)量的扇形區(qū)域進(jìn)行有規(guī)則地離散掃描，測(cè)量不同的波束形成器權(quán)值w情況下的不同輸出功率。而其波束方向與輸出功率的關(guān)系可由式(2.2)推導(dǎo)得出p = w

38、 r w = a r a (2.2)因此，對(duì)輸入的自相關(guān)矩陣r 進(jìn)行估計(jì)，就能夠通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)計(jì)算出所有可能區(qū)域內(nèi)的引導(dǎo)向量并獲得輸出功率關(guān)于波達(dá)角度之間的函數(shù)。2.3.2 最小均方自適應(yīng)濾波器法最小均方自適應(yīng)濾波器法是以信號(hào)的期望響應(yīng)和經(jīng)濾波器處理輸出的信號(hào)之間誤差最小均方值為準(zhǔn)則，對(duì)輸入的迭代信號(hào)進(jìn)行梯度矢量估計(jì)，更新函數(shù)的權(quán)系數(shù)以達(dá)到最優(yōu)準(zhǔn)則的自適應(yīng)算法，它的原理框圖如圖 2.3 所示圖2.3 自適應(yīng)濾波器原理圖其中，自適應(yīng)濾波器的輸入、輸出信號(hào)值分別為 x ( k )和 y ( k )，信號(hào)期望的響應(yīng)值或參考信號(hào)值為 d ( k )，誤差信號(hào)為 e ( k )，系統(tǒng)的濾波參數(shù)會(huì)根據(jù)誤差信號(hào)

39、 e ( k)的不同而自動(dòng)調(diào)整變化，使下一次經(jīng)輸入信號(hào) x ( k + 1)產(chǎn)生的輸出量 y ( k + 1)更接近于考信號(hào)值 d ( k + 1)。若在最速下降法迭代過(guò)程中，獲得每步梯度 (n)的確定值并選擇合適的收斂因子，則最速下降法收斂于最佳維納解。為保證對(duì)梯度矢量每一步測(cè)量估計(jì)的準(zhǔn)確性，就需要獲得該系統(tǒng)的自相關(guān)矩陣和互相關(guān)矩陣的先驗(yàn)知識(shí)。最小均方自適應(yīng)濾波器法通過(guò)一定的誤差準(zhǔn)則調(diào)整，在收斂的情況下給出相應(yīng)估計(jì)值，對(duì)時(shí)變信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器的函數(shù)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。但這種算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)硬件要求較高且環(huán)境的實(shí)時(shí)處理能力較差，收斂函數(shù)和矢量噪聲等因素對(duì)系統(tǒng)的性能

40、影響較大，僅適合于權(quán)系數(shù)的選取恰當(dāng)、環(huán)境變化平穩(wěn)、傳感器間距小的情況下，另外，此算法對(duì)周期信號(hào)的處理效果不佳且運(yùn)算量也相對(duì)復(fù)雜，所以，在實(shí)際中很少使用此方法對(duì)有一定周期性的信號(hào)進(jìn)行處理。3 基于時(shí)延（itd）的方位估計(jì)本章詳細(xì)討論了如何根據(jù)估計(jì)的時(shí)延值來(lái)確定聲源的方位并進(jìn)行仿真，定位的方法為幾何定位法，首先分析了傳聲器和聲源的幾何模型，然后根據(jù)幾何方法，實(shí)現(xiàn)定位算法以及對(duì)樣本數(shù)據(jù)的采集，最后通過(guò)編寫(xiě)matlab程序?qū)λ惴ㄟM(jìn)行仿真。3.1 傳感器概述和聲源的幾何模型傳感器是一種獲取信息的裝置。它的定義為：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成

41、”，也可以理解為借助于檢測(cè)元件接受一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。按照這個(gè)定義，傳感器獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量或生物量的信息，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以是各種形式。但在大部分情況下，傳感器轉(zhuǎn)換后的信息為電信號(hào)。因而從現(xiàn)在的實(shí)際應(yīng)用情況上，傳感器的定義可以寫(xiě)成為，把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。在本課題中，我們將在眾多的傳感器中選擇并改進(jìn)一種傳感器，使其在一定混響和噪聲存在的條件下，能夠?qū)Λ@取的聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和處理，使輸出后的電信號(hào)繼續(xù)輸送給后續(xù)的測(cè)量定位裝置，以達(dá)到對(duì)聲源二維定位算法的研究。在建立傳聲器和聲源的幾何模型的過(guò)程中，首先建立雙傳聲器

42、幾何模型，然后建立傳聲器陣列幾何模型，并做出詳細(xì)的分析。3.1.1 雙傳聲器幾何模型與分析在聲源定位的研究過(guò)程中，雙傳聲器只能確定聲源在以一定角度為頂角的雙曲面上，不能確定聲源的具體位置。所以，想要探測(cè)出聲源的位置，必須擺放兩組甚至多組傳聲器，從而組成傳聲器陣列。同時(shí)，定位的準(zhǔn)確程度也取決于傳聲器的數(shù)量，在經(jīng)過(guò)一定位置的擺放后，傳聲器的數(shù)量越多定位的精度也就越高。圖3.1就是一種由四個(gè)傳聲器組成的典型傳聲器擺放方法。圖3.1 四個(gè)傳聲器的定位擺放示意圖可見(jiàn)，定位系統(tǒng)的成功與否與傳聲器的擺放有很大關(guān)系，傳聲器的數(shù)量會(huì)影響定位的精確程度。在本模型中，聲源和傳聲器的坐標(biāo)位置如圖3.2所示圖3.2 聲

43、源和傳聲器的坐標(biāo)位置假設(shè)第i對(duì)傳聲器m1和m2連線的中點(diǎn)為原點(diǎn)，它們的連線為x軸，聲源到這兩個(gè)傳聲器間的時(shí)間差是。用矢量和表示這兩個(gè)傳聲器的位置，用矢量表示聲源的位置，則聲源s應(yīng)該滿足矢量方程 （3.1）其中c為聲速。由雙曲面的定義可得，滿足該方程的s必落在雙曲面上。在圖中所示的聲源是極坐標(biāo)形式，將聲源坐標(biāo)和傳聲器坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)形式，可得（3.2） （3.3） (3.4）將式（3.2）、（3.3）、（3.4）代入式(3.1)，兩邊平方可得 （3.5）當(dāng)聲源離傳聲器比較遠(yuǎn)時(shí)(即r變得很大時(shí)， 趨近于零)，式(3.5)可以近似為 （3.6）所以當(dāng)已知傳聲器間的時(shí)延和傳聲器間的距離時(shí)，可以近似求

44、得圖3.1中的角。也就是說(shuō)，當(dāng)聲源離傳聲器比較遠(yuǎn)時(shí)，可以用以為方向角的圓錐面來(lái)近似代替聲源可能的位置。此近似如下圖3.3。圖3.3 聲源的雙曲面和錐面近似圖因此只要求得時(shí)延（時(shí)間差），就能近似求得聲源相對(duì)于兩傳聲器連線中點(diǎn)的方向角。3.1.2 傳感器的特性與選擇在理想狀態(tài)下，傳感器應(yīng)該具有單值的、確定的輸出-輸入關(guān)系，而這主要取決于傳感器的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟诒粶y(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽繉?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。故傳感器應(yīng)在其輸出電量無(wú)論是在靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量輸入時(shí)，都應(yīng)當(dāng)不失真地體現(xiàn)輸入量的變化。下面給出實(shí)際應(yīng)中，傳感器常

45、用的幾個(gè)特征量。（1）靈敏度傳感器的靈敏度是指在其相對(duì)穩(wěn)定工作的狀態(tài)下輸出變化量與輸入變化量之間的比值。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度是它的校準(zhǔn)曲線的斜率，為一個(gè)常數(shù)。而非線性傳感器的靈敏度為一個(gè)變量，其靈敏度可以用 k = dy /dx來(lái)表示，也可以用某一小區(qū)域內(nèi)的擬合直線的斜率表示。（2）線性度在規(guī)定的條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出量的百分比稱(chēng)為線性度。在實(shí)際工作中，常用一條擬合直線去近似地代表實(shí)際的特性曲線。線性度可以用如下公式表示。 (3.7)其中，y max為校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差，yfs 為傳感器滿量程輸出，即有yfs=ymax -ymin。（3）分辨力分

46、辨力是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)能夠檢測(cè)出被測(cè)量的最小變化量的能力。它受到噪聲的限制，通常用相當(dāng)于噪聲電平(n)若干倍(c)的被測(cè)量表示，即有m=cn/k (3.8)式中，m 為最小檢測(cè)量，c 為系數(shù)一般取 15 倍，k 為靈敏度。（4）精度精度分為準(zhǔn)確度、精密度和精確度。所謂準(zhǔn)確度是指測(cè)量值與真值的偏離程度；而精密度是指即使測(cè)量相同的對(duì)象，每次測(cè)量值也不相同，它說(shuō)明了測(cè)量結(jié)果的分散性；精確度是在簡(jiǎn)單場(chǎng)合下可取準(zhǔn)確度和精密度兩者的代數(shù)和，通常以測(cè)量誤差的相對(duì)值來(lái)表示?；谝陨线@些參數(shù)條件，可知對(duì)于傳感器元件的選取應(yīng)根據(jù)需要選擇最適宜的傳感器，從系統(tǒng)總體考慮，由測(cè)量參數(shù)（信號(hào)的測(cè)量時(shí)間、要求精度

47、、信號(hào)的頻率等）和實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境場(chǎng)所并兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性?xún)r(jià)比高的原則，本實(shí)驗(yàn)中，選取的傳感器為駐極體電容式傳感器。駐極體電容式傳感器是貝爾實(shí)驗(yàn)室在 1962 年發(fā)明的麥克風(fēng)式的傳感器，主要是由能夠提供專(zhuān)用場(chǎng)效應(yīng)管和極化電壓的電容傳感器極頭的駐極體材料所組成。駐極體材料是一種化學(xué)的材料，是在高溫高壓下被注入能夠永久性的存儲(chǔ)電荷的一種材料。駐極體材料的膜片與金屬板之間可以看成是一個(gè)電容，當(dāng)聲音引起膜片振動(dòng)時(shí)，膜片與金屬板之間的電容就會(huì)變化，就會(huì)產(chǎn)生隨聲音變化的變?nèi)蓦妷?，但這個(gè)電容量在低頻段的輸出阻抗很大，所以，需要在材料與放大電路之間加上一個(gè)阻抗變換器，可利用其輸入阻抗高和輸出阻抗低的特性，

48、在聲電變換中把其作為接口電路使用，其結(jié)構(gòu)圖如下所示。圖3.4 阻抗變換器結(jié)構(gòu)示意圖3.2 幾何定位方法本文使用七個(gè)傳聲器組成的傳聲器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)聲源定位的仿真，傳聲器的分布如圖3.5所示。其中，假定聲源s的坐標(biāo)為（x0，y0，z0）,傳聲器m2擺放在原點(diǎn)位置，其坐標(biāo)為（0，0，0）；m1和m3擺放在x軸上，坐標(biāo)為（-a，0，0）和（a，0，0）；m4和m5擺放在y軸上，坐標(biāo)為（0，a，0）和（0，-a，0）；m6和m7擺放在z軸上，坐標(biāo)為（0，0，-a）和（0，0，a），聲源s到各傳聲器的距離分別為d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7（圖中只標(biāo)示了d1，d2，d3）。可見(jiàn)，七個(gè)傳聲器覆蓋了整

49、個(gè)三維空間，等距的分布在原點(diǎn)、x軸、y軸和z軸上，這樣的布局方式，一方面嚴(yán)密而一致，可以充分的接收聲源信號(hào)；另一方面呈幾何對(duì)稱(chēng)關(guān)系的各傳聲器的擺放，減少了很大部分的運(yùn)算量，更高效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)量之間的關(guān)系求解過(guò)程。圖3.5 七個(gè)傳聲器的定位擺放示意圖3.3 信息的采集與處理對(duì)于傳感器所輸出的電信號(hào)，一般情況下不能夠直接輸送到顯示、記錄或處理系統(tǒng)中去。其主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）大部分傳感器輸出的電信號(hào)會(huì)比較微弱，需要進(jìn)一步放大后才能進(jìn)行下一步處理。（2）有些傳感器輸出的是電參量，需要變換為電能量進(jìn)行處理。（3）輸出的信號(hào)中混雜干擾和噪聲，需要盡量去除噪聲，提高信噪比。（4）對(duì)需求的輸出信號(hào)的處

50、理只是作用于部分頻段的信號(hào)，則要從輸出中分離出相應(yīng)所需頻率成分。（5）傳感器輸出的是數(shù)字（模擬）信號(hào)，需要把其變換成模擬（數(shù)字）信號(hào)才能進(jìn)行處理。因此，基于以上原因，在傳感器的輸出端，信號(hào)要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，才能使輸出信號(hào)與后續(xù)的處理環(huán)節(jié)相適應(yīng)。3.3.1 數(shù)據(jù)采集方法將傳聲器m1，m3，m4，m5，m6，m7放置于以m2為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中，兩兩分布在x，y，z軸上，與原點(diǎn)m2的距離為a，a可以根據(jù)實(shí)際需要取值。聲源發(fā)出的聲音信號(hào)以不同的時(shí)間傳達(dá)至各傳聲器，由于聲速c一定，所以根據(jù)傳聲器陣列所獲得的時(shí)間差可以計(jì)算出聲源至各傳聲器的距離差。將采集得到的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式保存，繼而進(jìn)行下一步的運(yùn)算與

51、分析。但是，由于本文只涉及到用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定位仿真，所以必須預(yù)先假定聲源坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)假定坐標(biāo)的運(yùn)算得到聲源s到各傳聲器間的距離差，此距離差將作為“已知的測(cè)量值”進(jìn)行接下來(lái)的定位仿真，其過(guò)程舉例如下：傳聲器至原點(diǎn)的間距a=20，聲源s坐標(biāo)x0=50，y0=-200，z0=-60，即s=（50，-200，-60）。3.3.2 聲音信號(hào)的處理對(duì)聲音信號(hào)的處理過(guò)程分為三個(gè)環(huán)節(jié)，首先通過(guò)幾何方法計(jì)算聲源到各傳聲器間的距離差，然后通過(guò)已得的距離差對(duì)聲源位置進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)matlab編程實(shí)現(xiàn)聲源定位的仿真。3.3.3 聲源到傳聲器間距離差的計(jì)算根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式，聲源s到m1的距離可表示為d1= （3.9

52、）同理，聲源s到m2的距離可表示為d2= （3.10）所以得聲源到m1和m2的距離差d12= （3.11）在matlab程序編寫(xiě)時(shí)，可以使用cumsum函數(shù)實(shí)現(xiàn)d12的運(yùn)算。以此類(lèi)推，可以得到聲源s到各傳聲器的距離差d23，d24，d52，d13，d62，d27。但是，由于聲源發(fā)出的聲波在傳播過(guò)程中受到外界環(huán)境中噪音、混音等多方面因素影響，所以聲源到個(gè)傳聲器的實(shí)際距離差與計(jì)算值之間有一定程度上的偏差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在d23，d24，d52，d13，d62，d27的計(jì)算值的基礎(chǔ)上加上一個(gè)量“b”，b的值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為k的數(shù)乘以一百個(gè)隨機(jī)正態(tài)分布樣本，可以用randn函數(shù)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。3.3.

53、4 聲源位置的計(jì)算與仿真通過(guò)運(yùn)算得到的聲源s至各傳聲器間的距離差可以確定聲源s的坐標(biāo)。首先，將d12，d23，d52，d24這四個(gè)距離差表達(dá)式聯(lián)立 （3.12） （3.13） （3.14） （3.15）可得x=(-d242d23-d522d23-d52d232+2d23d122+d24d232+2d12d232-d242d12-d522d12 -d24d122+d52d122)-4(d24-d52+d12-d23)a (3.16)y=(-d242d23+d522d23-2d24d52+d52d232-d52d242+d24d232+d242d12-d522d12+d24d122+d52d122

54、)-4(d24-d52+d12-d23)a (3.17)z=rootof(4a2d123d52-4a2d242d122-4a2d123d24-4d242d122d522+2d243d123+ d244d122-2d523d123+2d524d242+d524d232+d124d522+d522d234+d242d234+2_z2, label=_l3)/2(d24-d52+d12-d23)a (3.18) 由于之前給x，y，z分別加上了一個(gè)k與一百個(gè)隨機(jī)正態(tài)分布樣本的乘積“b”，所以得到的x，y，z的值均為十行十列的矩陣，將這三個(gè)矩陣中的元素求平均值，得到x，y，z，即估計(jì)出的聲源s的位置。求

55、平均值的仿真過(guò)程可以通過(guò)reshape和mean函數(shù)實(shí)現(xiàn)。由（3.16），（3.17），（3.18）可見(jiàn)，以聲源s到x軸上的m1，m3和到y(tǒng)軸上的m4，m5分別為距離差的方程組，得到的結(jié)果中，x，y的表達(dá)式均很簡(jiǎn)單明了，可以直接編寫(xiě)matlab程序，而z的表達(dá)式冗長(zhǎng)復(fù)雜，對(duì)編寫(xiě)程序造成很大的困難。并且，經(jīng)仿真后得到的定位效果不佳，尤其當(dāng)a的取值很小，z0的取值很大時(shí)，z0的估計(jì)值和實(shí)際值誤差很大，例如取a=20，k=0.1,x0=100，y0=200，z0=7600時(shí)，聲源的估計(jì)坐標(biāo)與實(shí)際如圖3.6所示，其中紅色“+”為聲源s的實(shí)際位置，綠色“*”為聲源s的估計(jì)位置。圖3.6 聲源估計(jì)坐標(biāo)與實(shí)

56、際坐標(biāo)比較由于表達(dá)式（3.12），（3.13），（3.14），（3.15）中所選取的傳聲器m1，m2，m3，m4，m5分別分布在x軸和y軸上，所以在仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，x0和y0的估計(jì)值較為準(zhǔn)確，z0的估計(jì)值偏差很大，所以要做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。將d52，d24，d62，d27這四個(gè)距離差表達(dá)式聯(lián)立 (3.19) (3.20) (3.21) (3.22)可得x=rootof(-4a2d273d52+2d27d243d522+4a2d24d273+2d274d24d62-2d524d27d24 -2d273d62d242+8a2d27d62d242-2d623d27d242-2d623d24d272+8a2d622d24d52,label =l9)/2(-d27+d62-d52+d24)a (3.23)y=(-d242d62-d272d24+d27d242+2d52d242-d27d522-d272d52+2d522d24 + d62d522-d