声音定位系统开题报告.docx

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声音定位系统开题报告

交通大学城市学院

本科毕业设计（论文）开题报告

题目声音定位系统设计

所在系电信系

学生超群

专业自动化

班级902学号09010364

指导教师郭霞

教学服务中心制表

2013年3月

声音定位系统的设计

一、课题研究的目的和意义

声音定位技术是利用声学与电子装置接受声波以确定声源位置的一种技术，它是一种重要的军事侦察手段。

声音定位产生于第一次世界大战。

开始根据火炮发出的声音测定火炮位置。

其系统有多个声测哨站与声测中心组成，两者用电缆连接。

声测哨根据传感器接受信号，声测中心记录信号并根据同一信号到达不同传感器的时间差计算火炮位置[1]。

随着雷达侦测技术的兴起，声音定位技术曾一度遭到冷冻，法军和美军分别于70年代80年代取消了声测侦察[2]。

近年来，由于雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术这四大威胁，越来越容易遭受攻击。

因此，人们又开始重视被动式传感器，重新激起对声测技术的兴趣[3]。

声音定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是[4]：

（1）不受通视条件限制。

可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源。

（2）隐蔽性强。

声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强。

（3）不受能见度限制。

其他侦察器材受环境气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。

声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点。

声源定位在战场之外也同样具有广泛的应用前景，它可用于会议系统、视频会议系统、可是等系统中的控制摄像头和传声器阵列波速方向对准正在说话的人；也可用于语音及说话人识别软件的前端预处理，以提供高质量的声音信号，提高语音及说话人识别软件的识别率；亦可用于强噪声环境下的声音获取、大型场所的会议记录，以提高声音拾取质量；还可用于助听装置中，更好地为耳障患者服务等[5]。

声音是人类常用的工具，是传递和获取信息中非常重要的一种。

不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，就可以判断出物体的方位[6]。

现在，人类已经进入信息化时代，声源定位技术的研究，使人们能更加有效地产生、获取和应用处理声音信息，这对于当今社会的发展具有十分重要的意义。

二、课题研究的主要任务和预期目标

1．主要任务及要求

声音定位技术研究涉及声学、信号检测、数字信号处理、电子学、软件设计等诸多技术领域，在诸多军用和民用西东中具有极其重要的意义，对军事系统中，它有助于武器的精确打击，为最终摧毁对方提供有力保证；就民用系统来说，可以为目标提供可靠的服务，起到安全保障作用。

声源定位技术具有被动探测方式、不受通讯条件干扰、可全天候工作的特点，但因为声源定位环境的复杂性，再加之信号采集过程中不可避免的给语音信号掺进了各种噪声干扰，都是的定位问题成为了一个极具挑战性的研究课题。

实现声源定位系统的硬件设计及相关软件程序设计[7]。

2．预期目标

1．系统设计原理说明及实现方案论证；

2．硬件电路原理图;

3．软件程序流程图；

4．部分程序

三、设计方案

1．设计思想

基于麦克风阵列的定位问题简而言之就是利用一组按一定几何位置摆放的麦克定出声源的空间位置。

基于麦克风阵列的声源定位方法大体上可分为三类:

（a）基于最大输出功率的可控波束形成技术。

该方法对麦克风阵列接收到的语音信号进行滤波、加权求和，然后直接控制麦克风指向使波束有最大输出功率的方向;（b）基于高分辨率谱估计的定向技术。

该方法利用求解麦克信号间的相关矩阵来定出方向角，从而进一步定出声源位置;（c）基于到达时间差（（TDOA）技术。

该方法首先求出声音到达不同位置麦克的时间差，再利用该时间差求得声音到达不同位置麦克的距离差，最后用搜索或几何知识确定声源位置[8]。

（1）系统框图

采用4个麦克风组成的阵列经过放大滤波后进行A/D采样，然后由单片机完成数据计算送给LED显示声源位置。

图1总体系统框图

根据图1所示的系统，利用估计的时延值来确定声源的方位。

定位的方法主要分为两大类，即几何定位法和目标函数空间搜索定位法[9]。

2．方案论证

2.1方案一：

平面四元阵算法原理[10]

基于时延的几何定位方法，是利用传声器阵列各个阵元上接收同一个声源信号的时间差（时延）[11]，以及几何关系来求出声源的方位信息。

此方法所需阵元个数较少，较适合于视频会议等场合的使用[10]。

为了测出三维空间目标的俯仰角、方位角和距离，需要有三个独立的时延量，所以至少需要四个传声器，如图1给出了一种平面四元十字阵的几何模型：

图2平面四元十字阵定位原理图

如图2四个麦克风阵元的坐标分别为M1（d/2,0,0）,M2（0,d/2,0）,M3（-d/2,0,0）,M4（0,-d/2,0），声源S的坐标为（x,y,z），声源到坐标原点的距离为r，俯仰角为θ，方位角为，d为阵元间距。

假设r>>d，则可假设基阵接收的信号为平面波。

设相对于M1，声源到达阵元M2,M3,M4的时延，分别为τ21τ31τ41，声源到M2，M3，M4与到M1的声程差分别为d21，d31，d41[11]。

通过推到可得到声源S关于（x，y，r1）的空间坐标：

（1-1）

设c为声速，声程差表示为：

（1-2）

2.2方案二：

直线型麦克风阵列

麦克风和声源的坐标位置如图3所示：

图3声源和麦克风的坐标位置

在方案[12]中提到：

假设第i对麦克风A和B连线的中点为原点，它们的连线为X轴，声源到这两个麦克风间的时间差是τi。

用矢量mi1和mi2表示这两个麦克风的矢量位置，用矢量rs表示声源的矢量位置，则声源S应该满足矢量方程:

（1-3）

其中c为声速，di表示声程差。

由双曲面的定义可得，满足该方程的声源S必落在以mi1和mi2为焦点的双曲面上。

由于声源s（r,θ,φ）是极坐标形式，所以符合方程的s有无数个。

所以当己知麦克风之间的距离di和声源到两麦克风之间的时间延迟τi，就能近似求得声源相对两麦克风连线中心的方位角θ。

而多个麦克风对求得的方位角的交点就是声源位置[13]。

2.3方案三：

球型插值法

球型插值法（SphericalInterpolation，SI）是一种典型的闭式定位法，根据多个麦克风相对参考麦克风的时延估计和各麦克风的矢量位置得到一个误差方程组，并求其最小二乘解[14]。

假设声源位置矢量用s表示，有N+1个麦克风，不失一般性地，设参考麦克风位于坐标原点，其位置矢量用M0表示，其它N个麦克风位置矢量用m1表示，i∈[1,N]，各麦克风与参考麦克风的声程差用di表示，i∈[1,N]。

图4描述了球型插值法麦克风对和声源之间的几何关系[15]。

图4球型插值法麦克风对和声源之间的几何关系

利用公式3-1

（1-4）

以及麦克风的空间关系，得到声源位置

为：

（1-5）

3．方案选择

方案二中采用直线型的麦克风阵列，当己知麦克风之间的距离di和声源到两麦克风之间的时间延迟τi，就能近似求得声源相对两麦克风连线中心的方位角θ[16]。

而多个麦克风对求得的方位角的交点就是声源位置，当用两个麦克风时，符合条件的S在以mi1,mi2为焦点的锥面上，当用到多对麦克风时，计算数据比较多，不便于计算[17]。

在方案三中，采用多个麦克风组成的阵列，在最后的数据处理中还加入了最小二乘法的计算，而要在单片机中实现最小二乘的计算是相当繁琐的[18~19]，不适合在本次设计中采用。

方案一平面四元阵算法原理简单，通过解方程组可以很好的实现对空间声源的定位，而在数据处理时，只需要利用单片机解3个方程就得出S的正确坐标[20]，故而选择其作为本次设计的方案。

四、课题进度安排

1、第一、二周研究并分析毕业设计题目：

声源定位系统的设计，查找与声源定位相关的基础理论知识和参考文献资料。

2、第三、四周分析完善声源定位系统的设计方案，并撰写开题报告。

3、第五、六周分析完善系统设计方案，对核心器件进行选型，了解器件的使用手册。

4、第七~九周声源定位系统的完善设计，熟悉器件的使用手册，学习protel99se应用软件、利用protel99se应用软件绘制系统的电路原理图，完善并分析电路设计原理。

5、第十、十一周绘制电路设计的pcb板图，学习proteus仿真软件。

6、第十二、十四周搭建实验平台，进行硬件电路调试或进行软件仿真。

7、第十五、十六周整理毕业设计资料，撰写论文。

8、第十七、十八周完善、修改论文，准备答辩。

参考文献：

[1]邵怀宗，林静然，启琼，居太亮．基于麦克风阵列的声源定位研究．民族大学学报，2004/4，Vol.13，No.4

[2]文,夏秀渝,何培宇,源．基于麦克风阵列的近场声源定位．大学学报（自然科学版），2008年4月，第45卷第2期

[3]王想实，春林．基于方向正交小波基的声源定位．电子工程师，第32卷第8期2006年8月

[4]严素清，黄冰．传声器阵列的声源定位研究．扬声器与传声器，2004,12:

27~30

[5]居太亮，启琮，邵怀宗．基于麦克风阵列的近场声源定位子阵算法研究．电子测量与仪器学报，第20卷　第5期

[6]莉，吕明．基于特征分解的一步最小二乘声源定位算法．电声技术2007年第31卷第5期

[7]林积微，欧阳清，辉．一种平面传声器阵列在声源定位中的研究．电声技术2007年第31卷第12期

[8]林志斌，徐柏龄．基于传声器阵列的声源定位．扬声器与传声器，2004，5，18~22

[9]玮玮，志刚，建强，声源定位中的时延估计技术．数据采集与处理，2007，22

（1）：

91~98

[10]陆晓燕．基于麦克风阵列实现声源定位．硕士学位论文，理工大学，2003

[11]马雯，黄建国．LMS自适应时延估计法在被动定位系统中的应用研究．船舶工程2000，6：

50~53

[12]吴佳栋，光治．语音信号去混响原理与技术．语音技术，2006，63（5）：

63~67

[13]朱广信，彪，金蓉．基于传声器阵列的声源定位．电声技术2003年01期

[14]可，汪增福．基于声压幅度比的声源定位．计算机仿真，2004,11：

85～88

[15]成锁，逍遥，肖熙．基于敏感度分析的近场声源定位．电声技术，2007年第31卷第4期