专利名称：一种基于麦克风阵列的声源定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及声源的定位，更具体地讲，涉及ー种使用麦克风(MIC)阵列来对声源定位的方法。
背景技术：
阵列信号处理已经广泛应用于通信、雷达、声纳、医学和航天航空等诸多领域。近年来，随着反恐战的开展，各国已经研制了各种探测爆炸点或枪炮射击点的位置的设备。在实际应用中，由于视觉定位往往不易实现，从而发展了一些声学定位的系统，例如，美国的回力棒系统、以色列拉斐尔公司的反狙击手声探侧系统，加拿大麦克唐纳 迪特维利公司和加拿大防务研究和发展委员会也共同开发了ー种名为“雪貂”(Ferret)的小型武器探測和定位系统。基于麦克风阵列的声源定位广泛应用于具有嘈杂背景的语音通信环境，如，视频会议、多媒体教室、车载电话等，以提高通信质量；在地震研究、降噪设计、压カ容器的无损 检测等诸多领域也有着广泛的应用。本专利提供的基于麦克风阵列的声源定位系统可以估算出声源位置和方向角，并对声源进行实时跟踪。声源定位算法研究主要集中在计算机实验仿真，采用Matlab与C语言结合，难以开发出界面友好的程序，流程控制能力不理想，在数据采集、硬件控制等方面都比较繁琐，编程难度大，而程序的通用性也受到制約。本专利采用LabVIEW图形化编程语言，方便地完成数据采集与存储、分析与处理、硬件及仪器控制等任务。同时从平面四元方阵定位模型出发，开发出一种基于虚拟仪器的实时声源定位系统，并配合激光笔对声源进行实时跟踪。该系统控制界面友好，定位速度较快，精度理想，基本能满足对近场语音信号的实时定位要求。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种使用麦克风阵列对声源定位的方法，该方法能够快速对声源定位。为了解决上述技术问题，本发明提供一种麦克风阵列自适应降噪控制方法，包括如下步骤SI:麦克风阵列米集声音信号；S2:信号预处理；S3:声源定位；S4:舵机控制进ー步，信号预处理的步骤包括S201:预滤波采用带通滤波器滤波，以抑制输入信号各频域分量中频率超出fs/2 (其中fs为采样率)的所有分量，防止混叠干扰，同时抑制50Hz的电源干扰；S202:分帧采用帧与帧重叠的方法，避免失帧；S203:加窗用窗函数w(n)乘信号s (η)，形成加窗函数sw(η)窗函数的作用是保持帧与帧之间的连续性。
S204:计算短时能量E:若E小于门限值可认为是噪声，否则，进入下一歩S205:计算短时过零率Ztl:若Ztl在门限内，则表示检测到语音。进ー步，声源定位的步骤包括S301:时延估计，用于计算同一声源的信号到达2个麦克风的时间差；S302:位置估计，根据时延差估计值和麦克风阵元间的几何关系确定声源位置。此外，优选的，本发明所提供技术方案中的麦克风阵列全部由全指向麦克风组成或者由全指向麦克风和单指向麦克风组成或者全部由单指向麦克风组成。
图I是本发明提供的一种实施方案的系统示意图；图2是平面四元十字阵定位原理图； 图3两级放大电路设计图；图4时延估计框图；图5软件设计框图。
具体实施例方式图I是本发明提供的一种实施方案的系统示意图。本系统主要由麦克风阵列、放大电路、PXI—4472数据采集卡、PXI平台、舵机、激光笔组成。图2是平面四元十字阵定位原理图。为了测出三维空间目标的距离、方位角和俯仰角，需要有3个独立的时延量，所以，至少需要4个麦克风。如图2给出了ー种平面四元十字阵的几何模型，4个阵元的坐标分别为M1 (d，0，O) ,M2 (0，d，O)，M3 (-d，0，O)，M4 (0，-d，O)。图3两级放大电路设计图。根据信号的特点，本系统中的放大电路采用两级放大，第一级放大电路为固定増益；第二级放大电路为可调增益，使每一路的麦克风均可通过第ニ级放大电路将其输出放大到适合的幅度范围。本系统设计的两级放大电路如图3所示。A/D转换电路是通过数据采集卡PXI—4472完成的，该采集卡是NI公司专为高通道数的声音和振动应用而设计的高精度数据采集(DAQ)模块，支持8路同步采样模拟输入，最高采样率达102. 4kS/s，满足本系统的需求。图4时延估计框图。采用广义互相关函数(GCC)法作为时延估计方法。该方法借助于来自同一声源的信号存在一定的相关性这一特性，通过计算麦克风阵列接收信号之间的互相关函数，从而估计出TDoA值。GCC时延估计框图如图4所示。图5软件设计框图。基于LabVIEW图形化的编程方式，直接简便，降低了程序的开发难度，减少了开发时间。LabVIEW程序包含2个主要组成部分,前面板(front panel)和程序框图(blockdiagram)。前面板是虚拟仪器的交互式人机界面，有输入參数的控制量和显示输出结果的指示量。程序框图中，用数据流的连线连接前面板上控制量、指示量、结构以及各种函数节点，实现仪器功能。声源定位系统的主界面包含实时数据采集与结果显示。声源定位软件程序流程图如图5所示。表I为测试結果。在实际声场中，对真实的声源进行测量，以检验声源定位系统的定位效果。选择空旷的室内，选用的声源为正弦波声源。测试结果如表I所示。从实际测量数据可知，所设计的系统的测量误差较小，能满足在混响和噪声不是很强的视频会议等场合。经过多次实验验证，本系统定位距离为5m半径；距离的定位精度为±15cm,角度的定位精度为±5。。 表I测试结果
权利要求
1.一种基于麦克风阵列的声源定位系统，其特征在于包括 麦克风阵列的选择采用平面四元十字阵模型来实现定位的目的； 数据采集电路本系统中的放大电路采用两级放大，第一级放大电路为固定增益；第二级放大电路为可调增益，使每一路的麦克风均可通过第二级放大电路将其输出放大到适合的幅度范围； 信号预处理信号预处理包括带通滤波、分帧加窗、端点检测； 声源定位采用基于到达时间差的方法，通过声音信号到达不同阵元的时间差，建立三维声源定位模型方程组进行定位； 舵机控制通过基准信号与外部所给PWM波的正脉冲持续时间进行比较，从而确定转向和转角的大小。
2.根据权利要求I所述的基于麦克风阵列的声源定位系统，其特征在于所述的进行信号预处理包括带通滤波、分帧加窗、端点检测，具体内容如下 .1)预滤波采用带通滤波器滤波，以抑制输入信号各频域分量中频率超出fs/2的所有分量，防止混叠干扰，同时抑制50Hz的电源干扰； .2)分帧采用帧与帧重叠的方法，避免失帧； .3)加窗用窗函数w(n)乘信号s(n)，其表达式如下
3.根据权利要求I所述的基于麦克风阵列的声源定位系统，其特征在于所述的对时延进行估计的内容如下 麦克风接收到的信号为
4.根据权利要求I所述的基于麦克风阵列的声源定位系统，其特征在于所述的对位置进行估计，具体内容如下 S(x, y, z)表示声源；设&表示声源到麦克风Mi的距离，T u表示声源到麦克风Mi与Mj间的时延，r，9 [O。，90° ]，
5.根据权利要求I所述的基于麦克风阵列的声源定位系统，其特征在于所述的舵机控制本系统中，舵机需要2个自由度的方向驱动，采用2个舵机固连的方式，即一个舵机连接激光笔作为第一个自由度，第二个舵机连接第一个舵机与激光笔这个整体，作为第二个自由度通过两路PWM信号控制2个舵机的转动，从而达到定位的目的。
全文摘要
本发明提供了一种基于麦克风阵列的声源定位系统，利用真实声场环境下基于到达时间差的声源定位算法搭建了基于麦克风阵列的声源定位系统，将LabVIEW应用于声源定位软件的开发，方便地完成信号的采集与处理，运用广义互相关函数法进行时延估计，结合平面四元十字阵模型建立方程组实现定位。
文档编号G01S5/20GK102707262SQ20121020487
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者苏淳 申请人:太仓博天网络科技有限公司