一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法与流程

本发明涉及一种波达角估计声阵列系统，尤其涉及一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法。

背景技术：

近年来，随着社会的发展和科技的进步，人们对准确的位置信息的需求越来越多，对于定位技术的研究受到广泛的关注。声信号作为日常生活中易获得的一种信息，正成为定位技术的一个研究热点。而基于麦克风的声阵列技术作为声信号定位技术的一个重要分支，是我们关注的研究点。目前高质量的定制声阵列设备对于角度的估计已经达到较高的精度，但由于其制作成本较高，部署较难且迟缓，难以迅速推广使用。

另一方面，近年来智能手机强大的信息处理能力、完善的硬件配置及低成本特征使其成为了生活中不可或缺的设备。考虑到智能手机拥有麦克风、扬声器及无线模块等基本固件，可以将其应用到声阵列的定向实验中。目前部分学者对其进行了深入研究，针对手机阵列的关键问题—时钟同步，通过对带操作系统的智能手机阵列进行内核和驱动的修改，来解决智能手机之间的时钟不同步问题，但对于内核和驱动需要专门的技术进行修改，在用户层面不易操作，缺乏普适性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，该系统的实现主要包括以下步骤：

(1)将n部手机以固定间隔部署成线阵，并测量手机之间的距离，n为大于等于2的正整数；

(2)在同一个局域网内，所述n部手机建立网络通信，从n部手机中任意选取一部作为基手机，作为控制端；当目标发出声信号时，由基手机发出指令，同时打开所有n部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号；

(3)经步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后，基手机播放时间长度为t，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，t为30ms-70ms；n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风，基手机发送指令，控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号；

(4)采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻；

(5)由步骤1中所测手机之间的距离，计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差，利用后事件同步及RBS的同步机制，通过采样点计数的方法，以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准，对齐n段chirp信号，即同步n部手机所录到的n段目标声源信号；

(6)采用阵列信号处理方法将步骤(5)同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。

进一步地，所述步骤1中，所述固定间隔为阵元间隔，所述阵元间隔小于目标声源波长的一半。智能手机S_i的扬声器到智能手机S_j的麦克风的距离定义为

进一步地，所述步骤2中，所述局域网由路由器建立，为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号为宽带音频信号。

进一步地，所述步骤2和3中，每部手机录制的音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。

进一步地，所述步骤4具体为，假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x₁(t)＝s(t)+n₁(t)和x₂(t)＝s(t-τ^*)+n₂(t)，其中s(t)为原始chirp信号，τ^*为传播时延，n₁(t)和n₂(t)为加性高斯白噪声，互不相关，且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术，其中，表示信号x₁(t)和x₂(t)的互相关表示，其中E[·]代表互相关运算，表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果，τ为时间变量。由于互相关值R_ss(τ-τ^*)≤0，因此当τ＝τ^*时得到广义互相关的最大值，对应的时间τ即为τ^*的时延估计，从而检测到chirp信号到达时刻。

进一步地，所述步骤(5)具体为：根据测量得到由为智能手机S_i相对手机S_j的所录同一信号由距离产生的时间延迟，c为声速，由公式可以计算出即手机S_i相对手机S_j由于时延产生的采样点的偏差，其中f_s为手机的采样频率，为44.1KHz，从而利用采样点的偏差和权利要求5中的检测的到达时刻，实现目标音频信号的时钟同步。

进一步地，所述步骤(6)中：根据步骤5的n段目标声源信号，采用鲁棒性较高的超分辨率MUSIC阵列信号处理方法来实现波达角的估计。

本发明的有益效果是，本发明无需依靠定制声阵列设备，仅仅依靠智能手机自带的麦克风、扬声器和处理器，通过WiFi建立通信，即可快速部署，实现目标声源的波达角估计，克服了传统设备成本较高以及部署困难且缓慢的劣势。同时区别于传统的时钟同步交换时间戳的同步方式，采用后事件及RBS同步机制，实现了规避涉及操作系统且易于普及的简易时钟同步，通过实际系统实验验证，在25m*40m的室外操场上，当目标距离阵元为25m时，在各个方向上，宽带信号的角度估计误差在90％概率下达到4.5度以下，保证了较高的估计精度。

附图说明

图1为本发明的系统实验布局示意图；

图2为本发明的系统两部手机之间尺寸量测示意图；

图3为本发明的广义互相关算法示意图；

图4为本发明的信号处理流程图；

图5为本发明的软件架构图；

图6为本发明的宽带信号波达角估计累积误差概率密度分布图。

具体实施方式：

本发明是基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，具体信号处理流程和软件架构流程如图4和图5所示。首先当目标声源事件发生后，基手机通过WiFi以及预先写好的网络控制程序控制n部安卓智能手机录制目标声源的音频信号，录完预设的时间后，麦克风依旧处于开启状态，直到基手机控制自身打开扬声器发出chirp信号，并由n部手机录下chirp音频信号，然后基手机控制所有手机关闭麦克风并上传n段音频信号至服务器，服务器通过运行广义互相关算法，检测chirp信号的到达时刻。并通过预先测量的手机之间的距离参数，基于后事件及RBS同步机制，消除同步偏差，得到同步的目标声源信号。最后运行超分辨率MUSIC阵列信号处理算法，在线处理得到目标声源波达角的估计值。

本发明基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，包括以下步骤：

1、将n部手机以固定间隔部署成线阵，如图1所示，并测量手机之间的距离，n为大于等于2的正整数。

所述固定间隔为：所述阵元间隔要求小于目标声源波长的一半。智能手机S_i的扬声器到智能手机S_j的麦克风的距离定义为如图2所示为两部智能手机之间的距离示意图以及智能手机固有尺寸。

2、在同一个局域网内，所述n部手机建立网络通信，从n部手机中任意选取一部作为基手机，作为控制端，软件控制架构如图5所示；当目标发出声信号时，由基手机发出指令，同时打开所有n部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号。

所述局域网由路由器建立，为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号一般为宽带音频信号。

3、在步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后，基手机播放时间长度为t，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，t为30ms-70ms；n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风，基手机发送指令，控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号。

所述步骤2、步骤3中，每部手机录制了一段音频信号，该段音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。

4、采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻。

所述步骤4具体中，如图3所示。假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x₁(t)＝s(t)+n₁(t)和x₂(t)＝s(t-τ^*)+n₂(t)，其中s(t)为原始chirp信号，τ^*为传播时延，n₁(t)和n₂(t)为加性高斯白噪声，互不相关，且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术，其中，表示信号x₁(t)和x₂(t)的互相关表示，其中E[·]代表互相关运算，表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果，τ为时间变量。由于互相关值R_ss(τ-τ^*)≤0，因此当τ＝τ^*时得到广义互相关的最大值，对应的时间τ即为τ^*的时延估计，从而检测到chirp信号到达时刻。

5、由步骤1中所测手机之间的距离，计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差，利用后事件同步及RBS的同步机制，通过采样点计数的方法，以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准，对齐n段chirp信号，即同步n部手机所录到的n段目标声源信号。

所述步骤(5)具体为：根据测量得到由为智能手机S_i相对手机S_j的所录同一信号由距离产生的时间延迟，c为声速，由公式可以计算出即手机S_i相对手机S_j由于时延产生的采样点的偏差，其中f_s为手机的采样频率，为44.1KHz，从而利用采样点的偏差和步骤4中的相对到达时刻，实现目标音频信号的时钟同步。

在信号处理流程中如图4所示，涉及到快速傅里叶变换，快速傅里叶反变换，FIR滤波，降采样等通用信号处理技术，目的是提高波达角估计的准确性以及稳定性。

6、采用阵列信号处理方法将步骤5时钟同步后的n段音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。采用鲁棒性较高的超分辨率方法MUSIC(Multiple Signal Classification)来实现波达角的估计。即以下公式：

R＝E[x(t)x^H(t)]

其中，是方向向量，A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_k)]是阵列流型矩阵，n(t)是加性高斯白噪声，R是协方差矩阵，U_S、U_N分别为信号子空间和噪声子空间，它们各自特征向量对应的特征值组成的对角矩阵为Σ_S、Σ_N，P_MUSIC(θ)为谱峰搜索函数。

实施例：

下面以四部安卓手机为例，具体介绍本发明的实现过程。

本发明基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，该方法包括以下步骤：

1、如图1所示，将四部安卓智能手机(S₁、S₂、S₃、S₄)以固定间隔部署成线阵，并测量四部手机之间的距离

所述固定间隔为阵元间隔，阵元间隔要求小于目标声源波长的一半。所述手机之间的距离为S₁手机扬声器到S₁手机麦克风的距离S₁手机扬声器到S₂手机麦克风的距离S₁手机扬声器到S₃手机麦克风的距离S₁手机扬声器到S₄手机麦克风的距离如图2所示为S₁手机和S₂手机之间的距离示意图。

2、在同一个局域网内，四部手机建立网络通信，当目标发出声信号时，由基手机发出指令，基手机为四部手机中任意一部，如S₁手机，作为控制端，软件控制架构如图5所示，同时打开四部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号

所述局域网由路由器建立，为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号一般为宽带音频信号。

3、在步骤2录下一段预设长度的目标声信号后，基手机播放长度为50ms，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，四部手机录下该chirp信号，此时关闭麦克风，基手机发送指令，控制四部手机通过局域网向服务器传输四段录制的音频信号。

所述步骤2、步骤3中，每部手机包含一段音频信号，该段音频信号由目标声信号和chirp信号组成

4、采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻。

所述步骤4中，如图3所示。假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x₁(t)＝s(t)+n₁(t)和x₂(t)＝s(t-τ^*)+n₂(t)，其中s(t)为原始chirp信号，τ^*为传播时延，n₁(t)和n₂(t)为加性高斯白噪声，互不相关，且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术，其中，表示信号x₁(t)和x₂(t)的互相关表示，其中E[·]代表互相关运算，表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果，τ为时间变量。由于互相关值R_ss(τ-τ^*)≤0，因此当τ＝τ^*时得到广义互相关的最大值，对应的时间τ即为τ^*的时延估计，从而检测到chirp信号到达时刻。

5、由步骤1中所测手机之间的距离，计算chirp信号到达基手机和到达其余三部手机的时间差，利用后事件同步及RBS的同步机制，通过采样点计数的方法，以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准，对齐四段chirp信号，即同步四部手机所录到的四段目标声源信号。

所述步骤(5)具体为：根据测量得到由为智能手机S_i相对手机S_j的所录同一信号由距离产生的时间延迟，c为声速，由公式可以计算出即手机S_i相对手机S_j由于时延产生的采样点的偏差，其中f_s为手机的采样频率为44.1KHz，为第S_i部手机的采样点数，从而利用采样点的偏差和步骤4中的相对到达时刻，实现目标音频信号的时钟同步。

在信号处理流程中如图4所示，涉及到快速傅里叶变换，快速傅里叶反变换，FIR滤波，降采样等通用信号处理技术，目的是提高波达角估计的准确性以及稳定性。

6、采用阵列信号处理方法将步骤5时钟同步后的四段音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。采用鲁棒性较高的超分辨率方法MUSIC来实现波达角的估计。即以下公式：

R＝E[x(t)x^H(t)]

其中，是方向向量，A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_k)]是阵列流型矩阵，n(t)是加性高斯白噪声，R是协方差矩阵，U_S、U_N分别为信号子空间和噪声子空间，它们各自特征向量对应的特征值组成的对角矩阵为Σ_S、Σ_N，P_MUSIC(θ)为谱峰搜索函数。

如图6所示，对本发明的波达角估计性能进行分析，在25m*40m的室外操场上，当目标距离阵元为25m时，在各个方向上如图1所示，宽带信号的角度估计误差在90％概率下达到4.5度以下，保证了较高的估计精度。本发明作为新颖的基于智能手机的声阵列波达角估计平台，在低空间无人机侦查，野外救助等领域具有很大的应用前景。