張武 王洪源 靳曉蕾

摘? 要：本文提出了一種基于四元交叉陣的聲源定位方法，并設(shè)計(jì)了聲源定位系統(tǒng)。利用4個(gè)聲源傳感器采集聲源信號(hào)，經(jīng)過放大、處理、AD轉(zhuǎn)換等步驟，采用廣義互相關(guān)函數(shù)法計(jì)算信號(hào)到達(dá)4個(gè)傳感器的時(shí)間差，從而確定聲源的位置。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在速度和精度上都能達(dá)到較好的性能。該聲源定位系統(tǒng)可以與具有低成本慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)相結(jié)合，以提高估計(jì)精度。

關(guān)鍵詞：聲源定位? 四元交叉陣? 到達(dá)時(shí)差? 廣義互相關(guān)函數(shù)

中圖分類號(hào)：TN912.3 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0155-03

Acoustic Source Localization Based on 4-Element Cross Array

ZHANG Wu? WANG Hongyuan*? JIN Xiaolei

（School of Information Science and Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China）

Abstract： In this paper， an acoustic source localization method based on 4-element cross-array is presented， and an acoustic source localization system is designed. Four acoustic sensors are employed to collect the acoustic source signal， after several steps as amplifying， processing， AD conversion， generalized cross-correlation function method is used to compute the time difference of the signal arrival to the four sensors， then the position of the acoustic source can be determined. Experiments show that our system can achieve good performance in both speed and accuracy. The acoustic source localization system can be incorporated into a motion estimation system with low cost inertial sensors to increase estimation accuracy.

Key Words： Acoustic source localization; 4-element cross-array; Time difference of arrival; Generalized cross-correlation function

近些年來，在空間中尋找聲源的問題引起了科學(xué)界越來越大的興趣。聲源定位技術(shù)是利用聲傳感器陣列采集聲信號(hào)，然后用微處理器實(shí)現(xiàn)聲源處理算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，確定聲源在三維空間中的位置。四元交叉陣是圓陣的一種特殊形式，能在平面0～360°范圍內(nèi)探測目標(biāo)方位，且易于布置，節(jié)省成本。

本文提出利用麥克風(fēng)陣列實(shí)現(xiàn)近場信源定位和遠(yuǎn)場波達(dá)方向（DOA）估計(jì)的多種算法，設(shè)計(jì)了一種可供實(shí)際應(yīng)用的聲源定位系統(tǒng)。它可以進(jìn)一步應(yīng)用于具有低成本MEMS慣性傳感器的大型三維運(yùn)動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)中。

1? 基于四元交叉陣的聲源定位原理

聲源定位技術(shù)是利用聲傳感器陣列采集聲信號(hào)，然后用微處理器實(shí)現(xiàn)聲源處理算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，確定聲源在三維空間中的位置[1-2]。

交叉陣列，可視為兩個(gè)正交線列陣。它們由S1、S3和S2、S4組成。線陣中兩個(gè)陣元之間的距離為D，在坐標(biāo)系中兩個(gè)陣元的交點(diǎn)設(shè)為零，如圖1所示。

當(dāng)聲源與陣列中心之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陣列元件之間的距離時(shí)，我們可以假設(shè)聲源T是一個(gè)點(diǎn)聲源，而聲音則以球形波的形式傳播。假設(shè)從聲源T到S1的傳播時(shí)間為t1，則S2、S3、S4與S1的相對(duì)到達(dá)時(shí)間差分別為，S2、S3、S4與S1的距離差分別為，那么我們有：

（1）

這里C是空氣中的聲速，為340m/s，如果聲源T與陣列元件S1之間的距離為r1，則：r1=Ct1。

在此假設(shè)下，聲波信號(hào)被傳播為球面波，陣元S1、S2、S3和S4正好位于以T為中心的4個(gè)球體上，分別以為半徑。因此，我們可以得到方程組：

（2）

通過對(duì)時(shí)差的測量，我們可以計(jì)算距離差，然后方程（2）可以通過求解得到聲源的位置。

下面我們推導(dǎo)出球坐標(biāo)與時(shí)差之間的關(guān)系。

我們知道，聲源T在直角坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系中的位置之間的關(guān)系是：

（3）

其中。

根據(jù)上述方程，我們可以計(jì)算聲源與陣列中心之間的半徑r，以及聲源的方位角和螺距如下：

（4）

由于，i=2，3，4，上述方程可簡化為：

（5）

（6）

（7）

（8）

通過測量到達(dá)的時(shí)差，我們可以確定聲波的位置源T[3-5]。

2? 聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，根據(jù)上述聲源定位原理，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的平面聲源定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由5個(gè)模塊組成：處理模塊、傳感模塊、無線通信模塊、顯示模塊和電源管理模塊。采用ATmega328P作為微處理器，對(duì)四元交叉陣列的聲信號(hào)進(jìn)行采集和處理，同時(shí)還負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)中的其他模塊，處理數(shù)據(jù)、控制與計(jì)算機(jī)的通信，管理電源模式等。

無線通信模塊選擇NRF905跳頻數(shù)據(jù)傳輸芯片，傳感模塊可以包括一種或多種類型的傳感器，這里我們使用電子聲傳感器采集聲音信號(hào)，并使用可編程增益放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 時(shí)延估計(jì)算法

首先計(jì)算兩個(gè)聲信號(hào)的平均值，然后在嵌套循環(huán)中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)算法，然后根據(jù)最大互相關(guān)函數(shù)值進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)值的比較，該值是兩個(gè)不同路徑的聲信號(hào)的時(shí)延。

利用這些公式，結(jié)合我們已經(jīng)得到的時(shí)間延遲，可以計(jì)算出聲源的位置。

3? 聲音定位實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室里，溫度約為22℃，因此空氣中的聲速約為344m/s。

將聲源位置固定在（35，25），然后由微處理器計(jì)算時(shí)間延遲，最后計(jì)算聲源位置，結(jié)果如表1所示。

除第4組由于風(fēng)、車、人的聲音等外界噪聲造成的假結(jié)果外，每次得到的誤差均在6cm以內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)將安裝誤差和觀測誤差控制在最小范圍內(nèi)，以減小定位誤差。

基于微處理器的定位系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值，處理速度可以滿足系統(tǒng)要求。然而，由于位數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的精度有限，定位精度和速度受到限制。因此，可以考慮將采集到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，通過運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的軟件程序來計(jì)算時(shí)間延遲和聲源位置，從而達(dá)到更高的精度[6]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四元交叉陣列的最大誤差約為4°，處理速度可以滿足系統(tǒng)要求?；谒脑株嚨亩ㄎ幌到y(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值。

4? 結(jié)語

本文提出了一種基于到達(dá)時(shí)差算法的聲源定位方法，選擇四元交叉陣列作為中心陣，并利用微處理器、無線收發(fā)芯片等電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)用的聲源定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在速度和精度上都取得了較好的性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉敏，雷鳴.改進(jìn)的五元十字炸點(diǎn)聲定位算法研究[J].電子產(chǎn)品世界，2017，24（6）：53-57.

[2] 王珊.聲探測定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2018.

[3] Mengmeng Qin，De Hu，Zhe Chen，et al.Compressive Sensing-Based Sound Source Localization for Microphone Arrays[J].Circuits，Systems，and Signal Processing，2021：1-24.

[4] 柳雅龍.基于十字陣列被動(dòng)超聲的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲定位研究[J].艦船電子工程，2020，40（9）：52-55.

[5] 王洋，張鴻濤，紀(jì)春佳.三角形五元十字混合陣列彈丸落點(diǎn)定位方法[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2020，42（4）：92-97.

[6] 雷鳴，陳祥杰.影響五元十字陣聲學(xué)定位精度因素分析[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2017，45（3）：426-429.