基于麦克风阵列的声源定位算法研究及装置实现

论文摘要

基于麦克风阵列的声源定位技术正逐渐应用于视频会议、工业现场噪声定位、直升机探测系统、军事实验的弹着点测量等实际环境中。但现实环境的复杂性严重制约着声源定位技术的发展。因此,对基于麦克风阵列的声源定位算法和装置进行研究,具有重要意义。本文致力于在复杂噪声和混响严重的室内环境下改善声源定位的效果,主要做了以下几方面的工作：(1)讨论了远场模型和近场模型,并对本文所选用的麦克风进行了分析和实验。同时分析了常用的几种麦克风阵列结构,并在直线阵列的基础上提出了一种基于声程差的组合四元直线麦克风阵列结构定位算法,有效的提高了定位的稳定性。(2)研究了基于TDOA的声源定位算法。针对传统的基本互相关时延估计算法存在峰值不明显等问题,本文主要研究了广义互相关时延估计算法,并针对多种加权函数的特性,分别在Matlab软件中进行了比较和仿真。进而为了尽可能的消除噪声和混响的影响,在广义互相关时延估计算法的基础上进行了改进。同时对相关函数进行了低采样率下的二次抛物线插值,提高了时延估计的空间分辨率；还根据麦克风间距限制了相关函数的峰值搜索区间,缩短了算法的运算时间；剔除了由于同步噪声和同步反射信号造成的零点伪峰,得到真正的峰值,增强了时延估计的可信度。(3)设计了基于DSP的声源定位装置。本文采用TMS320VC5509A作为控制芯片,能够实现四路声音信号的采集,设计了有效的模拟信号处理电路,并且对声速进行了实时温度补偿,同时进行了基于改进的GCC时延估计算法的软件编程。最后编写了基于VB6.0的上位机界面,成功与DSP扩展的RS232串口通讯,实时显示定位结果。(4)在CCS环境下对软件和硬件进行了调试,并在实验室内的环境下做了大量的定位测试实验,验证了算法的可行性。改进后的定位角度平均误差为100,定位距离平均误差为0.2m。最后对测试结果进行了数据处理和分析,分析了对相关函数峰值和声源定位结果产生影响的原因,以及对整个系统的误差来源进行了详细的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 麦克风阵列声源定位算法分类
• 1.4 本课题主要研究内容
• 1.5 论文结构
• 第2章 声源定位算法基础研究
• 2.1 声音理论分析
• 2.1.1 声音传播物理量
• 2.1.2 声波传播模型
• 2.1.3 本课题信号处理的特点
• 2.2 麦克风阵列的信号模型
• 2.2.1 近场模型
• 2.2.2 远场模型
• 2.2.3 室内麦克风阵列信号模型
• 2.3 麦克风阵列
• 2.3.1 监控拾音麦克风性能简介
• 2.3.2 半球型拾音麦克风的测试与校正
• 2.3.3 麦克风阵列结构分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于TDOA的声源定位算法研究
• 3.1 常用的时延估计算法
• 3.1.1 基本互相关时延估计
• 3.1.2 相位变换加权广义互相关（GCC-PHAT）的时延估计
• 3.2 GCC-PHAT算法的改进
• 3.2.1 数字滤波与窗函数
• 3.2.2 加权函数的选择
• 3.2.3 缩小峰值搜索区间去掉伪峰
• 3.2.4 抛物线插值
• 3.3 组合四元直线阵列定位算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于DSP的声源定位装置设计
• 4.1 定位装置的硬件结构和原理
• 4.2 硬件模块的详细介绍
• 4.2.1 麦克风阵列
• 4.2.2 模拟多路选择器
• 4.2.3 模拟信号处理电路
• 4.2.4 实时环境温度采集模块
• 4.2.5 DSP片上ADC模块
• 4.2.6 扩展串口通讯
• 4.2.7 DSP及主要外围模块
• 4.3 PCB板设计和电路调试
• 4.3.1 PCB板布局布线
• 4.3.2 电路焊接调试
• 4.4 软件程序设计
• 4.4.1 CCS集成开发环境简介
• 4.4.2 系统时钟的初始化
• 4.4.3 SDRAM的初始化
• 4.4.4 实时环境温度采集
• 4.4.5 AD采样模块
• 4.4.6 串口通讯模块
• 4.4.7 时延估计算法和几何定位算法
• 4.5 上位机界面设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 装置测试与结果分析
• 5.1 实验环境与器材
• 5.2 相关函数峰值的锐化问题
• 5.3 实验结果数据分析
• 5.3.1 实验方法与结果
• 5.3.2 麦克风摆放位置对定位的影响
• 5.3.3 声源角度和距离对定位的影响
• 5.3.4 误差分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢