基于音頻空間定位系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、論文題目：基于音頻空間定位系統(tǒng)的研究 學(xué)生姓名：所在院系： 所學(xué)專業(yè)：導(dǎo)師姓名完成日期：摘 要本文提出了利用音頻進(jìn)行聲源定位的方法，該方法是在基于時(shí)間差tdoa（time differential of arrival）的定位技術(shù)基礎(chǔ)上提出來(lái)的。概括了利用駐極體麥克風(fēng)傳聲陣進(jìn)行聲源進(jìn)行定位的方法，采用多個(gè)傳聲器構(gòu)成傳聲器陣列，實(shí)際上相當(dāng)于在時(shí)域和頻域的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)空間域，對(duì)接收的來(lái)自空間中的音頻信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理，這是傳聲器陣列信號(hào)處理的核心思想。本文詳細(xì)給出了時(shí)延差（tdoa）定位算法的原理。關(guān)鍵詞：音頻選擇 延時(shí)估計(jì) 聲源定位 駐極體麥克風(fēng)abstractin this paper, t

2、he use of audio sound source localization method is based on the time difference tdoa（time differential of arrival）based on positioning technology put forward. outlines the use of electret microphone array for sound transmission method to locate sound source, microphone array with multiple microphon

3、e constitute, in fact, equivalent to the time domain and frequency domain based on the addition of a spatial domain. on receiving from space, space-time audio signal processing, microphone array signal processing is the core idea. this paper gives the time difference （tdoa）positioning algorithm prin

4、ciple.keywords: audio select, delay estimation, sound localization, electret microphone.目 錄1 前言11.1 研究背景11.2高精度聲源定位系統(tǒng)面臨的問(wèn)題11.3本論文完成的工作11.4 研究現(xiàn)狀22 駐極體麥克風(fēng)簡(jiǎn)介32.1 特點(diǎn)32.2 特性說(shuō)明及特性設(shè)計(jì)33 硬件電路設(shè)計(jì)43.1 系統(tǒng)構(gòu)成43.2 組成模塊介紹43.3 聲源定位算法設(shè)計(jì)64 時(shí)延定位原理74.1 基于聲達(dá)時(shí)間差的聲源定位技術(shù)74.2 時(shí)延估計(jì)算法研究84.2.1時(shí)延估計(jì)的物理含義84.2.2基于廣義互相關(guān)gcc的tdoa估計(jì)法94.

5、3 dtoa的定位原理與實(shí)現(xiàn)114.3.1 傳聲器和聲源位置關(guān)系的幾何模型124.3.2 空間幾何定位算法145 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)16結(jié)束語(yǔ)18致謝19參考文獻(xiàn)20附錄：程序清單211 前言1.1 研究背景 聲源定位技術(shù)是利用聲學(xué)和電子裝置接收并處理聲場(chǎng)信號(hào)，以確定自然聲源或人為聲源位置的一種技術(shù)，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)探測(cè)方式的不同，聲源定位技術(shù)分為主動(dòng)聲定位和被動(dòng)聲定位兩種。主動(dòng)聲定位包括發(fā)射裝置和接收裝置，例如使用雷達(dá)向外發(fā)射信號(hào)，根據(jù)回波的性質(zhì)判斷目標(biāo)的位置口本文所研究的基于傳聲器陣列的聲源定位屬于被動(dòng)定位技術(shù)，它只有接收裝置而沒(méi)有發(fā)射裝置，同傳統(tǒng)的主動(dòng)聲定位技術(shù)相比，它具有隱蔽性

6、強(qiáng)、不受電磁波干擾的特點(diǎn)。 基于傳聲器陣列的聲源定位就是利用被動(dòng)聲源定位的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合傳聲器陣列空間選擇性強(qiáng)、抑制噪聲能力強(qiáng)以及無(wú)需人為移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行分析處理，在空間域中定出一個(gè)或多個(gè)聲源的平面或者空間坐標(biāo)，從而得到聲源的位置。它可用于電話會(huì)議、視頻會(huì)議等系統(tǒng)中控制攝像頭和傳聲器陣列波束方向?qū)?zhǔn)發(fā)言人;也可用于語(yǔ)音及說(shuō)話人識(shí)別軟件的前端預(yù)處理，以提供高質(zhì)量的聲音信號(hào)，提高語(yǔ)音及說(shuō)話人識(shí)別軟件的識(shí)別率;也可用于強(qiáng)噪聲環(huán)境下的聲音獲取、大型場(chǎng)所的會(huì)議記錄，以提高聲音拾取的質(zhì)量:還可用于助聽(tīng)裝置中，更好地為耳障患者服務(wù)。因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，值得進(jìn)行研究探討。1.

7、2高精度聲源定位系統(tǒng)面臨的問(wèn)題(l)傳聲器陣列聲源定位系統(tǒng)的一個(gè)基本要求是能定位和跟蹤聲源，因此對(duì)陣列信號(hào)的處理應(yīng)滿足一定的運(yùn)算量要求，以便實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，也即面臨著既要提高精度，又要盡可能減小運(yùn)算量的矛盾。因此要仔細(xì)分析比較各種定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求選出最優(yōu)的定位算法。(2)對(duì)于一個(gè)定位系統(tǒng)而言，傳聲器的數(shù)量越多，相對(duì)位置變化越多，提供的空域信息量就越大，從而具有更高的定位精度。在實(shí)際系統(tǒng)中，傳聲器位置的擺放比較固定，數(shù)量也比較少，因此，面臨著在數(shù)量比較少且位置相對(duì)固定的傳聲器陣列的情況下，如何提高定位精度的問(wèn)題。(3)混響和噪聲的存在，使信號(hào)幅度衰減、音質(zhì)變差，所以怎樣盡可能地消除

8、混響和噪聲的影響，是高精度聲源定位系統(tǒng)面臨的又一難題。1.3本論文完成的工作 本文對(duì)基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，重點(diǎn)研究了基于到達(dá)時(shí)間差tdoa)的聲源定位技術(shù)，主要完成以下工作:(l)詳細(xì)分析基于傳聲器陣列的聲源定位技術(shù)的工作原理，總結(jié)歸納井比較幾種常用定位方法的優(yōu)缺點(diǎn).(2)對(duì)基于聲達(dá)時(shí)間差的時(shí)延估計(jì)方法作詳細(xì)的推導(dǎo)。重點(diǎn)研究?jī)煞N時(shí)延估計(jì) 方法:廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法和最小均方自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)法，并針對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)討論了基于信號(hào)初始段包絡(luò)和基于高階統(tǒng)計(jì)量的時(shí)延估計(jì)方法。(3)歸納幾種常見(jiàn)的定位方法，重點(diǎn)研究基于時(shí)延的音頻空間幾何定位法，并進(jìn)行誤差分析。(

9、4)提出一種實(shí)際可行的定位方法，進(jìn)行論證。 本文采用多個(gè)傳聲器構(gòu)成傳聲器陣列，實(shí)際上相當(dāng)于在時(shí)域和頻域的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)空間域，對(duì)接收的來(lái)自空間中的音頻信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理，這是傳聲器陣列信號(hào)處理的核心思想?，F(xiàn)有的基于傳聲器陣列的聲源定位技術(shù)基本上可以分為四類:基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù):高分辨率譜估計(jì)技術(shù);基于聲壓幅度比的定位技術(shù)以及基于聲音到達(dá)時(shí)間差tdoa的定位技術(shù)。1.4 研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，音頻空間定位技術(shù)也顯得的越來(lái)越重要。盡管我國(guó)對(duì)聲音定位技術(shù)的研究起步晚，但隨著時(shí)間的推移，目前國(guó)內(nèi)從事這項(xiàng)技術(shù)研究的人已經(jīng)大大增加，涌現(xiàn)出了不少研究和開(kāi)發(fā)音頻空間定位技術(shù)的單位，在

10、國(guó)際上以及國(guó)內(nèi)刊物上發(fā)表了一些研究成果。研究領(lǐng)域主要是依據(jù)tdoa（time differential of arrival）算法上的聲音信號(hào)定位的研究，且集中在非視距環(huán)境下tdoa定位系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)近兩年才開(kāi)始研究智能算法在移動(dòng)聲源定位上的應(yīng)用。從主要刊物的檢索情況來(lái)看，大部分研究都是在定位算法的研究和優(yōu)化上，僅通過(guò)中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)，利用關(guān)鍵詞“tdoa”就可以在2000-2009年間的核心刊物上查到30篇有關(guān)抑制非視距誤差的定位文章；通過(guò)中國(guó)優(yōu)秀碩士論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，利用主題詞“無(wú)線定位”可以查到近300篇碩士論文；而通過(guò)中國(guó)博士論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，利用主題詞“無(wú)線定位”可以查到25篇相關(guān)博

11、士論文。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)目前對(duì)于聲信號(hào)定位的研究正受到高度重視和深入研究。音頻的空間定位是通過(guò)對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此參數(shù)估計(jì)法是定位問(wèn)題的關(guān)鍵。對(duì)基于三個(gè)接收器定位的關(guān)鍵在于對(duì)tdoa參數(shù)的估計(jì)。本文主要致力于基于三點(diǎn)對(duì)移動(dòng)聲源定位算法的研究，其核心是運(yùn)用現(xiàn)代信息處理方法計(jì)算時(shí)延從而定位?；跁r(shí)延估計(jì)是近20年來(lái)國(guó)際信號(hào)處理界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它既有理論意義，又有重要的實(shí)用價(jià)值。時(shí)延估計(jì)對(duì)隨機(jī)音頻信號(hào)處理、現(xiàn)代譜估計(jì)、時(shí)間序列分析、自適應(yīng)信號(hào)處理以及相關(guān)技術(shù)和傅里葉變換提出了新的要求，從而促進(jìn)了這些學(xué)科和科技的進(jìn)步。因此音頻空間定位技術(shù)也正向更高更寬更深的方向發(fā)展，傳聲器陣列聲源

12、定位是指用傳聲器陣列拾取聲音信號(hào)，通過(guò)對(duì)多路聲音信號(hào)進(jìn)行分析與處理，在空間域中定出一個(gè)或是多個(gè)聲源的平面或空間坐標(biāo)，即得到聲源的位置。 2 駐極體麥克風(fēng)簡(jiǎn)介駐極體是一種能長(zhǎng)久保持電極化狀態(tài)的電介質(zhì)，這種電介質(zhì)是一種高分子聚合物，他的工作原理是電容式的：有一片單面涂有金屬的振動(dòng)膜與一個(gè)帶有若干小孔貼有駐極體薄膜的電極（稱為背極）構(gòu)成。駐極體面與振動(dòng)膜相對(duì)，振動(dòng)膜上的金屬層作為兩個(gè)電極的介質(zhì)電容器，電容器的兩極之間并接一支電阻，這只電阻是阻抗變換器或前置放大器的輸入電阻。由于駐極體上分布有自由電荷，于是在電容器的兩極之間就有了電荷量，當(dāng)聲波使振動(dòng)膜振動(dòng)而產(chǎn)生位移時(shí)，改變了電容器的電容量，電容量的改

13、變使電容器的輸出端產(chǎn)生了相應(yīng)的交變電場(chǎng)，交變電場(chǎng)作用于r就形成了與聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，于是就完成了聲電轉(zhuǎn)換的功能。2.1 特點(diǎn)由于駐極體麥克風(fēng)是按電容式原理工作的，因此它具有電容式電聲器件的很多優(yōu)點(diǎn)，如頻帶寬、音質(zhì)好、失真小、瞬態(tài)響應(yīng)好，對(duì)機(jī)械振動(dòng)不敏感等特點(diǎn)。2.2 特性說(shuō)明及特性設(shè)計(jì)典型的駐極體麥克風(fēng)如圖1,有一個(gè)電容元件，其電容隨機(jī)械振動(dòng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與聲波成比例的變化電壓。駐極體麥克風(fēng)始終具有內(nèi)部靜態(tài)電荷，無(wú)需外部電源。不過(guò)，仍然需要幾個(gè)伏特的電壓來(lái)為內(nèi)部前置放大器fet供電。圖1 駐極體麥克風(fēng)的電氣模型駐極體麥克風(fēng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音

14、機(jī)、無(wú)線話筒及聲控等電路中。駐極體麥克風(fēng)由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開(kāi)。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個(gè)電容。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，引起電容兩端的電場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為幾十pf。因而它的輸出阻抗值很高(xc12tfc)，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內(nèi)接

15、入一只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管來(lái)進(jìn)行阻抗變換。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)由音頻信號(hào)采集單元、放大單元、濾波單元、a/d轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)處理單元、報(bào)警單元。具體構(gòu)成如圖2所示。音頻信號(hào)采集信號(hào)放大帶通濾波電路a/d轉(zhuǎn)換89c52報(bào)警電路圖2 硬件原理框圖3.2 組成模塊介紹（1）目標(biāo)音頻信號(hào)采集單元目標(biāo)音頻信號(hào)采集單元用于完成4路信號(hào)采集的功能，如圖4。每個(gè)采集電路包括麥克風(fēng)前級(jí)偏置和二級(jí)放大兩個(gè)部分。該電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由晶體三極管vt1vt3構(gòu)成的多級(jí)音頻放大器。v1與外圍阻容元件組成了典型的阻容耦合放大電路，擔(dān)任前置音頻電壓放大；v2、v3組成了兩級(jí)直接耦合式功率放大電路，其中：v3接

16、成發(fā)射極輸出形式，它的輸出阻抗較低。駐極體話筒m1接收到聲波信號(hào)后，輸出相應(yīng)的微弱電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電容器c1耦合到v1的基極進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)由其集電極輸出，再經(jīng)c2耦合到v2進(jìn)行第二級(jí)放大，最后信號(hào)由v3發(fā)射極輸出。電路中，c4為旁路電容器，其主要作用是旁路掉輸出信號(hào)中形成噪音的各種諧波成份。c3為濾波電容器，為整機(jī)音頻電流提供良好通路。 采集電路的第三部分是濾波電路，用來(lái)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行噪聲濾波處理?？紤]到硬件的復(fù)雜性，采用二階帶通濾波電路，如圖4。 圖5是對(duì)把送來(lái)的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，以便于單片機(jī)進(jìn)行處理進(jìn)而達(dá)到控制外部單元。圖3 聲信號(hào)接收電路圖4 音頻信號(hào)濾波器電路圖5a/

17、d轉(zhuǎn)換及控制電路（2）報(bào)警電路如圖6是系統(tǒng)的報(bào)警電路。當(dāng)有聲音出現(xiàn)在聲音接收器的接收范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)會(huì)給報(bào)警電路一個(gè)定時(shí)脈沖。當(dāng)報(bào)警電路接收到定時(shí)脈沖時(shí)，就會(huì)點(diǎn)亮發(fā)光二極管并報(bào)警。圖6 報(bào)警電路3.3 聲源定位算法設(shè)計(jì)時(shí)間延遲差簡(jiǎn)稱時(shí)延差，即tdoa（time differential of arrival）,是指接收器陣列中不同接收器所接收到的同源帶噪聲信號(hào)之間由于信號(hào)傳播距離不同而引起的時(shí)間差。時(shí)間延遲差估計(jì)是指利用參數(shù)估計(jì)和信號(hào)處理的理論和方法，利用所接收到的傳感信號(hào)，準(zhǔn)確、快速地估計(jì)和測(cè)定出傳感器之間由于信號(hào)傳播路徑不同而引起的時(shí)間延遲差。并由此進(jìn)一步確定其它相關(guān)的目標(biāo)參量，例如聲源目

18、標(biāo)的距離、方位角、運(yùn)動(dòng)方向和速度等。在對(duì)于有干擾源定位的問(wèn)題中正是利用時(shí)間延遲差來(lái)計(jì)算距離差的.由于在接收現(xiàn)場(chǎng)可能存在各種噪聲和干擾，接受到的傳感信號(hào)往往淹沒(méi)于噪聲和干擾之中，因此，對(duì)帶噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，首先要排除噪聲和干擾的影響，提高信號(hào)的信噪比。因此基于聲達(dá)時(shí)間差(tdoa)的定位技術(shù)一般分為2個(gè)步驟進(jìn)行:首先進(jìn)行聲達(dá)時(shí)間差估計(jì)，并從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲tdoa；其次利用獲取的聲達(dá)時(shí)間差，結(jié)合已知的傳聲器陣列的空間位置進(jìn)一步定出聲源的位置。時(shí)延差估計(jì)方法是與具體的工程實(shí)際背景緊密聯(lián)系的，很難找到一種時(shí)延估計(jì)方法能夠適用于任何時(shí)延估計(jì)問(wèn)題。近年來(lái)，隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和工程

19、技術(shù)的應(yīng)用需求，己經(jīng)提出了許多適用于不同情況的時(shí)延估計(jì)方法。主要有:（1）廣義相關(guān)法gcc（genceralized cross correlation）；（2）最大似然估計(jì)法。最大似然估計(jì)法是時(shí)延估計(jì)的一類重要方法。前提條件一般是信號(hào)的概率密度是己知的，此外最大似然估計(jì)法一般建立在以下三個(gè)基本的假設(shè)條件下，它們分別為時(shí)延為定值數(shù)據(jù)為靜態(tài)過(guò)程長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)。有了這些先決條件，該類方法構(gòu)造出一個(gè)關(guān)于時(shí)延的條件概率密度函數(shù)，然后通過(guò)使密度函數(shù)的值最大來(lái)確定時(shí)延.最大似然估計(jì)法在應(yīng)用時(shí)也是有很大的局限性的.因?yàn)樵趯?shí)際中，信號(hào)的概率分布往往是難以得到的，所以在構(gòu)造似然函數(shù)時(shí)往往有很大的困難，這使得該類方法

20、在現(xiàn)實(shí)中難以應(yīng)用。從總體上來(lái)說(shuō)，最大似然估計(jì)的時(shí)延估計(jì)法有很強(qiáng)的理論意義，經(jīng)常被用來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)算法的優(yōu)劣。(3)最小均方誤差算法在時(shí)延估計(jì)的眾多方法中，還有一類采用的是傳統(tǒng)的自適應(yīng)山s迭代方法或者是其改進(jìn)形式，該類方法多采用最小均方誤差準(zhǔn)則下的迭代法，通過(guò)設(shè)定迭代初值、參數(shù)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)，最終得到時(shí)延的估計(jì)值或者是它的替代形式，所以在這里把此類方法命名為最小均方誤差法。最小均方誤差時(shí)延估計(jì)法適用面廣，計(jì)算機(jī)量小，而且它的實(shí)時(shí)性較好，實(shí)用性強(qiáng)，但是它們不能根本抑制相關(guān)噪聲的影響。在查閱了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上首先研究了最基本的基于廣義互相關(guān)理論的時(shí)延估計(jì)算法gcc，針對(duì)gcc不適用相關(guān)噪聲背景本文研究了基

21、于三階累積量的時(shí)延估計(jì)算法。4 時(shí)延定位原理tdoa（time differential of arrival）是一種重要的無(wú)源定位方法，它是通過(guò)處理三個(gè)或更多個(gè)測(cè)量站采集到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)干擾源進(jìn)行定位的。干擾源信號(hào)到達(dá)兩個(gè)測(cè)站的時(shí)間差規(guī)定了一對(duì)以兩站為焦點(diǎn)的雙曲線，利用三站可形成兩條單邊雙曲線來(lái)產(chǎn)生交點(diǎn)，以確定干擾源的位置。當(dāng)計(jì)算tdoa值時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)所有的測(cè)量站是相同的且其和為零，這些誤差包括公共的多徑時(shí)延和同步誤差。該定位技術(shù)降低了對(duì)時(shí)間的同步要求，在誤差環(huán)境下相對(duì)優(yōu)越。時(shí)延定位系統(tǒng)具有精度高，定位快，實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。但是定位中也容易出現(xiàn)多值現(xiàn)象。4.1 基于聲達(dá)時(shí)間差的聲源定位

22、技術(shù) 在現(xiàn)有的傳聲器陣列聲源定位中，近幾年發(fā)展起來(lái)的基于聲達(dá)時(shí)間差tdoa（time differential of arrival）估計(jì)的定位方法精度相對(duì)較高，計(jì)算量小，可以考慮在實(shí)際中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。 基于聲達(dá)時(shí)間差聲源定位方法，首先估計(jì)出聲音到達(dá)傳聲器陣列各陣元的相對(duì)時(shí)間差，再利用此時(shí)間差算出聲源到達(dá)各陣元的距離差，最后用幾何算法確定聲源的位置。該方法主要分為兩步： 第一步，時(shí)延估計(jì)tde（time delay estimation）獲得傳聲器陣列中相對(duì)陣元間的tdoa（time differential of arrival）。 第二步，利用獲取的相對(duì)陣元間的時(shí)間差，結(jié)合已知的傳聲器陣列的空

23、間幾何關(guān)系最終確定聲源的位置。定位的方法為幾何定位法和搜索的方法等。本論文將重點(diǎn)研究此種定位方法。4.2 時(shí)延估計(jì)算法研究4.2.1時(shí)延估計(jì)的物理含義 時(shí)間延遲估計(jì)tde（time delay estimation）是統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理的基本工具之一，廣泛應(yīng)用于聲納、雷達(dá)、地震學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。本文主要研究其在聲源信號(hào)處理中的應(yīng)用，首先介紹一下時(shí)延估計(jì)的物理含義：聲程差波陣面聲源波陣面?zhèn)鞲衅鱾鞲衅鲌D7 有聲源輻射的波陣面產(chǎn)生的時(shí)延通常，假定信號(hào)在信號(hào)中以無(wú)色散球面波的方式傳播，為了簡(jiǎn)化分析和研究，通常將信號(hào)源和接收器考慮在同一個(gè)平面中，從而將問(wèn)題化簡(jiǎn)為二維定位問(wèn)題。這樣，在二維空間中，球面波退化為

24、柱面波。如圖7所示，由于信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳聲器的路徑不同，將會(huì)相隔一段時(shí)間差，這段時(shí)間差稱為時(shí)延。而波陣面到達(dá)兩個(gè)傳聲器之間的距離差稱為聲程差，等于介質(zhì)中聲音傳播速度與時(shí)延的乘積。假設(shè)聲源與傳聲器距離較遠(yuǎn)，符合遠(yuǎn)場(chǎng)條件，則它輻射的信號(hào)可以看作是以平面波的形式傳播，如圖8所示：lh=cd 圖 8 遠(yuǎn)場(chǎng)條件下時(shí)延估計(jì)用于定向的原理圖l為兩傳聲器之間的距離，d表示信號(hào)到達(dá)兩傳聲器之間的時(shí)延，c表示聲速，h為聲程差，則根據(jù)幾何關(guān)系可知，聲源相對(duì)與傳聲器陣列的方向角為: 2-1可知，知道了時(shí)延d，就可以計(jì)算出方位角。即通過(guò)時(shí)延來(lái)確定聲源位置的理論是可行的。對(duì)圖8所示的雙基元被動(dòng)定位系統(tǒng)，在無(wú)混響影響，且相關(guān)

25、噪聲較弱的情況下，有如下理想數(shù)學(xué)模型: 2-2 式2-2中和分別為兩傳聲器的接收信號(hào)，s(t)為接收到的聲源信號(hào)，d為兩傳聲器之間的相對(duì)時(shí)延，a是聲波相對(duì)衰減系，和是兩傳聲器接收到的加性高斯噪聲，且假設(shè)、和為互不相關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。 可見(jiàn)，時(shí)延估計(jì)就是根據(jù)不同位置接收器所接收到的同源信號(hào)，估計(jì)出其中所包含的時(shí)延信息，即用信號(hào)處理的方法求d的問(wèn)題。時(shí)延估計(jì)的精度越高，定位誤差就越小，每種時(shí)延估計(jì)方法各有利弊，應(yīng)根據(jù)具體情況，結(jié)合精度要求和運(yùn)算量限制進(jìn)行選擇，以下研究一種常用的時(shí)延估計(jì)方法。4.2.2基于廣義互相關(guān)gcc的tdoa估計(jì)法 廣義相關(guān)法是早期出現(xiàn)的時(shí)延估計(jì)方法。該方法最初應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

26、是假設(shè)兩通道的背景噪聲不相關(guān)，且時(shí)延d是采樣周期的整數(shù)倍。廣義相關(guān)法的原理是將兩傳感器的接收信號(hào)x(k)和y (k)作互相關(guān)，或者是將它們進(jìn)行預(yù)濾波，提高信噪比后再作互相關(guān)。因?yàn)閤 (k)和y (k)中包含的信號(hào)s (k)和(k-d)之間是有相關(guān)性的，而背景噪聲間假定是不相關(guān)的，所以做互相關(guān)處理后在d時(shí)刻的互相關(guān)函數(shù)值將為最大，而兩通道的背景噪聲做互相關(guān)處理后值為零，這樣得到的結(jié)果就只剩下信號(hào)成分。如果此時(shí)以時(shí)間作為坐標(biāo)橫軸，相關(guān)值作為縱軸，相關(guān)后最大值出現(xiàn)的橫坐標(biāo)位置即為時(shí)延的估計(jì)值。（1） 廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法原理信號(hào)模型：式中，s(t)為聲源信號(hào)復(fù)包絡(luò)，、是復(fù)振幅參量，代表了信號(hào)經(jīng)傳輸

27、后的幅度增益和相位偏移，、是未知的零均值加性噪聲， 、是信號(hào)傳輸時(shí)延。 出于簡(jiǎn)化信號(hào)模型的目的，上式可以簡(jiǎn)化為： 其中：a=a2/a1為兩個(gè)接收信號(hào)的幅度比，d=d2-d1為發(fā)送信號(hào)到達(dá)兩個(gè)接收機(jī)的時(shí)延差，即tdoa的值。廣義互相關(guān)函數(shù)算法的tdoa估計(jì)就是通過(guò)兩通道接收序列的互相關(guān)函數(shù)估計(jì)相對(duì)時(shí)延d。利用t=kt把上式轉(zhuǎn)化為離散序列，t為采樣周期： 相關(guān)函數(shù)是最長(zhǎng)用到的具有統(tǒng)計(jì)特性的函數(shù)。它是隨機(jī)信號(hào)處理最基本的工具。假設(shè)s(t)、w1(t)、w2(t)為聯(lián)合平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，x(t)與y (t)之間的互相關(guān)函數(shù)為：將x(t)、y(t)帶入到互相關(guān)定義中有： 其中：是信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。表示信號(hào)與

28、噪聲w1的互相關(guān)函數(shù)。表示信號(hào)與噪聲w2的互相關(guān)函數(shù)。表示噪聲值間的互相關(guān)函數(shù)。若w1(t)、w2(t)互不相關(guān)且與s(t)獨(dú)立，三者都是0均值平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，則根據(jù)自相關(guān)性質(zhì)：因而,也就是說(shuō)，使取得最大值的值就是時(shí)延d的估計(jì)。這樣，當(dāng)時(shí)，有最大值。tdoa參數(shù)估計(jì)為：其中，arg表示函數(shù)的自變量，max表示函數(shù)的最大值。 廣義互相關(guān)法、互功率譜相位法和自適應(yīng)濾波法等幾種方法是目標(biāo)聲源定位常用的時(shí)延估計(jì)方法，其中廣義互相關(guān)法具有較好的綜介性能，它是目前人們關(guān)注較多的時(shí)延估計(jì)方法;本文采用廣義互相關(guān)法處理聲源信號(hào)到達(dá)傳感器陣列的時(shí)延。4.3 dtoa的定位原理與實(shí)現(xiàn) 被動(dòng)聲定位中應(yīng)用最廣泛的是時(shí)延

29、估計(jì)法，其基本原理是通過(guò)空間布設(shè)的傳聲器陣列，接收目標(biāo)發(fā)出的聲音信息，再根據(jù)一定的算法估計(jì)出目標(biāo)的空間位置。二維空間聲音定位最簡(jiǎn)單的模型是由三個(gè)柱極體麥克風(fēng)組成的傳感器線陣，如圖9所示。a,o,b為三個(gè)柱極體麥克風(fēng)，間距為d，不妨假設(shè)s為聲源，根據(jù)三角型余弦定理可得關(guān)系式: sa=so+d+2d*so* （1） sb =so+d-2d*so* （2） 假定環(huán)境中的聲速己知(d=340m/s),且麥克風(fēng)a和o的接受到聲源信號(hào)的時(shí)延差為，麥克風(fēng)o和 b接收到聲源信號(hào)的時(shí)延差為。，則sa,sb,so之間的關(guān)系為： sa=so+d* （3） sb=so-d* （4）有式（1） （2） （3） （4），

30、解得： （5） 聲源方向角也可以通過(guò)上面的方程式解得，但在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)方向角可以有簡(jiǎn)單的近似方法來(lái)得到，且不影響系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。b o a s x y 圖9 方位角原理圖從以上的分析可以看出，對(duì)于二維的空間，采用麥克風(fēng)陣列估計(jì)聲源的位置，關(guān)鍵在于估計(jì)聲源到達(dá)麥克風(fēng)陣列單元的時(shí)延差。 本文的重點(diǎn)在于音頻信號(hào)在空間的定位，即三維空間的聲源定位，基于以上理論即以上時(shí)延估計(jì)的算法上，來(lái)分析音頻在空間定位系統(tǒng)的研究。目前研究較多的定位方法有:基于空間幾何的算法、基于目標(biāo)函數(shù)搜索的算法、基于球形插值的定位算法以及基于線性插值的定位算法。本章主要研究基于時(shí)延差的空間幾何的定位算法，其計(jì)算量較小，但對(duì)傳

31、聲器要求較高。4.3.1 傳聲器和聲源位置關(guān)系的幾何模型傳聲器和聲源位置關(guān)系的幾何模型如圖10所示：y軸聲源x軸z軸m1m2m2m1原點(diǎn)o圖10 傳聲器和聲源位置關(guān)系的幾何模型以兩個(gè)全向性聲音傳感器和連線的中點(diǎn)為原點(diǎn)，它們的連線為x軸，聲源到這兩個(gè)傳聲器之間的時(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。由雙曲面的定義可知，滿足該方程的解必落在雙曲面上。由于聲源是極坐標(biāo)形式，將其轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)形式，可得： （3-2）將上式以及和代入3-1式，兩邊平方可得： （3-3）假設(shè)是遠(yuǎn)場(chǎng)模型，則此時(shí)聲源距離傳聲器比較遠(yuǎn)（即r變得大時(shí)，

32、趨近于零），式（3-3）可以近似為： （3-4） 所以當(dāng)已知傳聲器之間的時(shí)延和傳聲器間的距離時(shí)，就可以近似求得圖10中的角。也就是說(shuō)，當(dāng)聲源距離聲音傳感器比較遠(yuǎn)時(shí)，可以把傳聲器接收的聲波近似看作是平面波。4.3.2 空間幾何定位算法(1) 平面四元陣算法原理 基于時(shí)延的幾何定位方法，是利用傳聲器陣列各個(gè)陣元上接收同一個(gè)聲源信號(hào)的時(shí)間差(時(shí)延)，以及幾何關(guān)系來(lái)求出聲源的方位信息。 為了測(cè)出三維空間目標(biāo)的俯仰角、方位角和距離，需要有三個(gè)獨(dú)立的時(shí)延量，所以至少需要四個(gè)傳聲器，如圖11給出了一種平面四元十字陣的幾何模型：z x y s(x，y，z) m1 m4 m3 m2 圖11 平面四元十字陣原理圖

33、四個(gè)陣元的坐標(biāo)分別為：m1.(d/2,0,0)，m2(0,d/2,0)，m3(-d/2,0,0)，m4（0,-d/2,0）；聲源s的坐標(biāo)為(x, y, z)，設(shè)聲源到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為r，俯仰角為，方位角為,d為陣元間距。假設(shè)rd，則可假設(shè)基陣接收的信號(hào)為平面波。設(shè)相對(duì)于m1，聲源到達(dá)陣元m2、m3、m4的時(shí)延，分別為、，聲源到m2、m3、m4與到m1的聲程差分別為、。在直角坐標(biāo)系中，可得如下方程： (1) （2） （3） （3-5） （4） （5）其中，為聲源到接收器的距離。將公式3-5中的（3）（4）（5）分別與（2）想減，可得： （3-6）由公式3-6可解得 （3-7）如圖11，在直角坐標(biāo)

34、系下聲源s的位置坐標(biāo)（x, y, z）可以用球坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)（）來(lái)表示，有： （3-8）這里，。有公式3-7和3-8，可解得直角坐標(biāo)下表示的方位角為： （3-9）由于r遠(yuǎn)大于，i=2,3,4,可近似的： （3-10）式3-5中的（2）減去（1），并有公式3-7可得： （3-11）則有公式3-8、3-6、3-9可得直角坐標(biāo)下的府仰角為： （3-12）有可得聲源s到陣列中心的距離r為： （3-13）設(shè)c為聲速，聲程差表示為： （3-14） 將式分別代入式3-10、3-11、3-12可得，方位角（）、俯仰角、聲源s到陣列中心的距離r用時(shí)延、及陣元間距d可以表示為： (3-15) (3-16) (

35、3-17)5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)聲音接收器接收到聲音信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)放大電路的放大，經(jīng)過(guò)濾過(guò)電路的濾波，后經(jīng)采樣，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，把最后的結(jié)果發(fā)到顯示電路顯示。如圖12。開(kāi) 始檢測(cè)是否有目標(biāo)音頻b麥克風(fēng)初始化a麥克風(fēng)c麥克風(fēng)d麥克風(fēng)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算時(shí)延方位角計(jì)算報(bào)警距離計(jì)算目標(biāo)位置判斷距離是否報(bào)警yya/dnn圖12 軟件流程框圖結(jié)束語(yǔ)本文主要研究了基于傳聲器陣列的聲源定位技術(shù)，將基于時(shí)延的音頻定位方法tdoa（time differential of arrival）作為論文理論研究的重點(diǎn)。 在本文，對(duì)傳統(tǒng)廣義互相關(guān)法進(jìn)行總結(jié)。并針對(duì)傳統(tǒng)廣義互相關(guān)法的缺點(diǎn)，進(jìn)行改進(jìn).通過(guò)對(duì)改進(jìn)算法的仿真可以看出，較

36、傳統(tǒng)方法，改進(jìn)后的方法具有更好的抗噪聲、抗混響性能。總結(jié)了實(shí)際聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并詳細(xì)分析了一種基于改進(jìn)的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的數(shù)據(jù)處理流程，同時(shí)提出一種基于最大互相關(guān)值的靜音檢測(cè)方法，為實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供參考.由于本人水平有限，本論文只研究了基于單目標(biāo)的常用的聲源定位方法，而聲源定位技術(shù)是一個(gè)涉及多方面數(shù)據(jù)處理知識(shí)的領(lǐng)域，有很多難點(diǎn)還沒(méi)有效解決，計(jì)算量又不高的解決方法，還有待更深入的研究，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)如何進(jìn)一步減少噪聲和混響對(duì)定位精度的影響，這需要對(duì)信號(hào)模型以及信號(hào)處理算法這兩個(gè)方面進(jìn)行比較深入的研究。(2)本文所實(shí)現(xiàn)的聲源定位算法主要適用于單個(gè)聲源，對(duì)多個(gè)聲源以及移

37、動(dòng)聲源的定位沒(méi)有進(jìn)行研究，這是一個(gè)難點(diǎn)，也是當(dāng)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)。從目前己有的研究來(lái)看，多聲源定位一般可以從高分辨率譜估計(jì)技術(shù)和波束形成技術(shù)方面進(jìn)行研究，而移動(dòng)聲源定位由于涉及到可變時(shí)延的問(wèn)題以及移動(dòng)聲源跟蹤問(wèn)題，主要是研究如何降低時(shí)延估計(jì)的運(yùn)算。致謝通過(guò)這次論文設(shè)計(jì)，讓我深深體會(huì)到了做任何學(xué)問(wèn)都必須要有嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)，讓我對(duì)大學(xué)四年的知識(shí)得以鞏固，使我學(xué)的更扎實(shí)，更深刻，更讓我學(xué)到了課本上沒(méi)有的知識(shí)。在此，首先要感謝我的指導(dǎo)老師，張老師在本次設(shè)計(jì)中給予了殷切指導(dǎo)，在寫(xiě)論文的過(guò)程中，老師給我做了全程的分析與引導(dǎo)。張老師知識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。他的認(rèn)真與細(xì)致讓我佩服，他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作

38、風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他的循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。另外，我得到了小組成員及同學(xué)們的大力支持和多方面的指導(dǎo)，在此向他們表示感謝。非常感謝，為我設(shè)計(jì)工作提供幫助的老師和同學(xué)，再次向你們道一聲謝謝！參考文獻(xiàn)1 康華光,鄒壽彬，秦臻.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分m,（第五版）,華中科技大學(xué)電子技課程組,2005；2 高西全，丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理m,（第三版），西安電子科技大學(xué)，2008；3 楊林耀，王松林，郭寶龍等.信號(hào)與線性系統(tǒng)分析m,（第四版），西北電訊工程學(xué)院，1985；4 張玲華，鄭寶玉.隨機(jī)信號(hào)處理m，北京：清華大學(xué)出版社，2003；5 程培青.數(shù)字信號(hào)處理教程m,

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