一种声源定位系统及方法与流程

本发明实施例涉及声源定位技术领域，尤其涉及一种声源定位系统及方法。

背景技术：

基于声音采集的声源定位系统是集声学采集、微电子、精密机械以及信号处理等技术为一体的一种全新综合技术，在机器人领域、安保、军事和反恐等领域具有广阔的应用前景。

其中，基于声音采集的声源定位系统在军事方面的应用能提高个人或者载具的防御能力、降低战场伤亡情况。但是，基于声音采集的声源定位系统虽然已经有了初步发展，但是在实际应用中仍然存在很多问题有待改进，例如，功能比较单一，没有形成完善的体系，反应速度慢，定位精度差以及人机交互性能差等问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种声源定位系统及方法，以实现对系统周围的声源进行快速、精准定位，并将定位信息以音频形式提供给相关操作人员，或者以数字脉冲形式提供给电子执行设备。

第一方面，本发明实施例提供了一种声源定位系统，该系统包括：

声音采集模块，与信息处理模块相连，用于对系统周围的声音信号进行采集，并将采集到的声音信号发送给所述信息处理模块；

信息处理模块，与声源信息输出模块相连，用于对所述声音采集模块发送来的声音信号基于预设算法进行处理，得到所述声音信号的声源位置信息，并将所述声源位置信息发送给所述声源信息输出模块；

声源信息输出模块，与电子执行设备或者音频接收设备相连，用于将所述信息处理模块发送来的声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备。

进一步地，所述声音采集模块包括：

至少四个声音传感器和一个声音处理器，所述声音传感器用于采集系统周围的声音信号，所述声音处理器用于采集所述至少四个声音传感器感应到声音信号的感应时间差；

对应地，所述声音采集模块具体用于将所述声音信号和所述感应时间差发送给所述信息处理模块。

进一步地，所述声音处理器具体用于：

通过物理中断计时的方法采集所述至少四个声音传感器感应到声音信号的感应时间差。

进一步地，所述信息处理模块具体用于：

通过如下公式计算声源的方位角，仰角和与参考点之间的距离：

d₂₁＝u*T₂₁；d₃₁＝u*T₃₁；d₄₁＝u*T₄₁；d₄₂＝u*T₄₂

其中，θ是声源的方位角，是声源的仰角，r是声源与参考点之间的距离，第一声音传感器的坐标值为A1(L,L,0)，第二声音传感器的坐标值为A2(-L,L,H)，第三声音传感器的坐标值为A3(-L,-L,0)，第四声音传感器的坐标值为A4(L,-L,H)，u是声音的传播速度，T₂₁是第二声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₃₁是第三声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₄₁是第四声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差；T₄₂是第四声音传感器与第二声音传感器测得声音信号的时间差。

进一步地，所述信息处理模块还用于：

滤掉设定距离之内的声源位置信息。

进一步地，所述信息处理模块还用于：

通过与预存声源类型信息进行比对，识别所述声音采集模块采集到的声音信号对应的声源类型，并将所述声源类型发送给所述声源信息输出模块。

第二方面，本发明实施例提供了一种声源定位方法，利用第一方面提供的声源定位系统，该方法包括：

通过声音传感器测得声音信号；

通过声音处理器记录声音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差；

通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息；

通过声源信息输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备。

进一步地，所述通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息之后，还包括：

通过信息处理模块滤掉设定距离之内的声源位置信息；

通过信息处理模块识别所述声音信号对应的声源类型。

进一步地，所述通过声音处理器记录声音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差包括：

通过物理中断计时的方法采集各声音传感器感应到声音信号的感应时间差。

进一步地，所述通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息包括：

通过如下公式计算声源的方位角，仰角和与参考点之间的距离：

d₂₁＝u*T₂₁；d₃₁＝u*T₃₁；d₄₁＝u*T₄₁；d₄₂＝u*T₄₂

其中，θ是声源的方位角，是声源的仰角，r是声源与参考点之间的距离，第一声音传感器的坐标值为A1(L,L,0)，第二声音传感器的坐标值为A2(-L,L,H)，第三声音传感器的坐标值为A3(-L,-L,0)，第四声音传感器的坐标值为A4(L,-L,H)，u是声音的传播速度，T₂₁是第二声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₃₁是第三声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₄₁是第四声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差；T₄₂是第四声音传感器与第二声音传感器测得声音信号的时间差。

本发明实施例提供的一种声源定位系统，通过声音采集模块对系统周围的声音信号进行采集，并将采集到的声音信号发送给信息处理模块，进而由信息处理模块对所述声音信号基于预设算法进行处理，得到所述声音信号的声源位置信息，并将所述声源位置信息发送给所述声源信息输出模块，最终由声源信息输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备，实现了对系统周围的声源进行快速、精准定位，同时提高了声源定位系统的人机交互性能。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种声源定位系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种头戴式声源定位系统的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种载具式声源定位系统的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的多个传感器在佩戴模式下的安装示意图；

图5是本发明实施例一提供的多个传感器在载具模式下的安装示意图；

图6是本发明实施例二提供的一种空间坐标示意图；

图7是本发明实施例三提供的一种声源定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项步骤的顺序可以被重新安排。当其步骤完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种声源定位系统的结构示意图，该系统典型地可应用于复杂环境中(例如战场中)，用来对特殊声响源头进行采集和位置判断。该系统可通过硬件和软件的方式实现。该系统具体包括如下：

声音采集模块110，与信息处理模块120相连，用于对系统周围的声音信号进行采集，并将采集到的声音信号发送给信息处理模块120；

信息处理模块120，与声源信息输出模块130相连，用于对声音采集模块110发送来的声音信号基于预设算法进行处理，得到所述声音信号的声源位置信息，并将所述声源位置信息发送给声源信息输出模块130；

声源信息输出模块130，与电子执行设备或者音频接收设备(本实施例以耳机和自动控制设备为例)相连，用于将信息处理模块120发送来的声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备。

具体地，本实施例提供的声源定位系统可以是一种头戴式声源定位系统或者是车载的声源定位系统，能够为佩戴人员或者载具驾驶人员提供快速的、准确的声音源头信息，从而达到“在第一时间判断出周边环境信息、为操作人员提供准确信息”的目的；在民用机器人领域，本声源定位系统能够作为声学仿生系统，为机器人提供声源信息，帮助机器人在与人类交流过程中，能够及时捕捉命令的发出人，并作出适当的反应，从而使得机器人与人类的交流更加自然，更加人性化；在军用条件下，本声源定位系统能够独立运行，为战斗人员提供全方位的周边声音信息情况、提供偷袭敌方人员的具体位置信息；在车载状态下，本系统能够全面提高车载作战效能，最大限度地保证特殊环境下操作人员的安全，降低人员受伤的可能性；在特殊的民用条件下，本系统能够为复杂环境下(例如：广场、集会、人员密集场所)提供环境监测，通过特殊声音信号锁定敏感区域，从而实现保证人员安全的目的。

一方面可以参见图2所示的头戴式声源定位系统的结构示意图，其中声音采集模块110可以配置在头盔140的表面，以能够采集到周围四面八方的声源信息为配置原则，信息处理模块120以及声源信息输出模块130可以集成到一块电路板上由佩戴人员随身背着。另一方面，图3示出了载具式声源定位系统的结构示意图，其中声音采集模块110可以配置在载具的外表面，以能够采集到周围四面八方的声源信息为配置原则，信息处理模块120以及声源信息输出模块130可以配置到载具内的任意位置。

进一步地，声音采集模块110包括：

至少四个声音传感器和一个声音处理器，所述声音传感器用于采集系统周围的声音信号，所述声音处理器用于采集所述至少四个声音传感器感应到声音信号的感应时间差；

对应地，声音采集模块110具体用于将所述声音信号和所述感应时间差发送给信息处理模块120。

具体参见图4所示的多个传感器在佩戴模式下的安装示意图以及图5所示的多个传感器在载具模式下的安装示意图，在布置传感器时，采用的是“分布在人员或载具周围”、“固定相对距离”的方式进行的，这样既能够保证测量结果的准确性，又能够保证四周360°×上下180°方向的声音都能够被整个系统接收到。在机器人安装的方式下，可以将传感器布置在机器人的耳朵位置，保证机器人的反馈信息更符合整个系统的布置状态。

高灵敏度的声音传感器能够被动感知系统周围的声音信号，通过对声音敏感的电子设备，将声音信号转化成电信号，经过放大后，将信号传递给快速声音处理器；快速声音处理器能够快速测量每个高灵敏度的声音传感器接收到声音信号的时间差，由于每个声音信号之间的时间差非常小，只有10^-6秒数量级的差别，所以优选地，快速声音处理器采用了物理中断计时的方法，能够最快速度地测量出各高灵敏度的声音传感器最准确的反应时间。

所述物理中断计时法为：通过对声音传感器中电路电信号的设置，通过物理方法，在声音信号到达声音传感器的瞬间输出一个高电平信号，直接输出给声音处理器，声音处理器接收到高电平信号后，立刻记录触发时间，从而最大限度地降低系统误差，保证测量时间的准确；理论上能够达到10^-6秒的测量精度。

进一步地，信息处理模块120由稳态电源、信息处理终端组成，其中，稳态电源为整个系统提供动力，保证系统的正常工作，由于整个系统可能在高速移动、存在较大冲击震动的环境中使用，所以稳态电源需要做到“耐冲击、耐震动，输出稳定”的要求；稳态电源在安装形式上采用了能够削弱冲击震动的“减震器”安装形式，同时也可以采用螺栓锁扣连接形式，防止由于冲击、震动造成连接处脱落的现象；信息处理终端是用来接收、处理所有信息的中枢，能够快速处理大量的交互数据，信息处理终端采用最高速的、服务器级的处理器，来保证运算的稳定高效，配备大容量的内存和企业级的高速硬盘，来保证信息处理处于一个较高的运算速度，并且，在信息处理终端上设置了多个外接接口，为扩展模块的添加预留了空间。

本实施例提供的声源定位系统采用了“全频采集、距离筛选、专项识别”的方法对声音信息进行综合采集以及处理；其中，“全频采集”指：在采集声音信号时，系统采用全频段采集的方法进行，只要有能够触发声音传感器的声音信号都会被系统采集，并且记录相关的时间差信息，虽然这样做会引入一些干扰的信息，但是在随后的筛选过程中会对主要干扰信息进行区分和过滤；

“距离筛选”指：通过设定安全距离，结合计算出的不同声源的位置信息，可以过滤掉一部分安全距离以内的声源信息，从而保证测量结果以安全距离以外的声源信息为准，以避免安全距离之内的声源信息造成干扰；

“专项识别”指：通过专门的声音传感器测到的声学信息，能够为我们提供较为准确的声源信息种类(例如步枪声、坦克声等)，从而，更加准确地过滤掉异常声音的干扰，保证测量结果的准确性。

进一步地，信息处理模块120还用于：

滤掉设定距离之内的声源位置信息；

通过与预存声源类型信息进行比对，识别声音采集模块110采集到的声音信号对应的声源类型，并将所述声源类型发送给声源信息输出模块130。

进一步地，声源信息输出模块130可以由音频提醒装置和数字信息输出装置两部分组成，用于输出不同形式的声源位置信息；音频提醒装置能够将声源的坐标信息转化为声音信号，将声音信号提供到操作人员的耳机中；根据实际使用习惯，可以提供不同的声音提醒模式，可以是常用的“钟点”定位方式、也可以是具体是“角度”定位方式等；数字信息输出装置能够将声源的坐标信息转化为数字脉冲信息，这些数字脉冲信息能够提供给自动化执行机构，用于执行机构的自动执行；数字脉冲信息的形式可以根据实际使用需求进行设定，以保证能够满足各种使用需求。

本实施例提供的基于声音采集的声源定位系统可以应用于数字化战场中，不仅具有声音采集功能、声源精确定位功能、声源信息提醒功能，而且还能够为自动化控制设备提供精确的脉冲信息，为自动锁定声源提供支持，保证操作人员在突发事前时能够及时判断环境，进而辅助操作人员对目标进行跟踪与锁定而实施精确打击。此外，本实施例提供的基于声音采集的声源定位系统可以使用在需要佩戴头盔或者乘坐载具的任意状态下，所称的使用者包括，但不仅限于，在军队作战或执行战备任务中使用头盔的作战指挥员、通讯员、士兵以及炮兵等军人，以及能够安装载具版系统的任何工具，例如：快速移动车辆、快艇等。

本发明实施例提供的声源定位系统，不仅具有声音采集功能、声源精确定位功能以及声源信息提醒功能，而且还能够为自动化控制设备提供精确的数字脉冲信息，为自动锁定声源提供支持；在民用方面，能够在机器人与人的互动方面带来更加人性的交互体验；在军事方面上，能够保证操作人员在突发事前时能够及时判断环境，进而辅助操作人员对目标进行跟踪与锁定而实施精确打击；总结本发明实施例提供的声源定位系统具有如下优点：信息采集反应快、测量范围广、定位精度高、实时反馈，延迟小、人机交互能力强以及环境态势感知能力高。

实施例二

本发明实施例二在实施例一的基础上，具体对“信息处理模块120对声音信号基于预设算法进行处理，得到所述声音信号的声源位置信息”的操作进行了优化，优化的好处是可以精确得到声源位置信息，具体包括如下：

信息处理模块120对声音信号基于预设算法进行处理，得到所述声音信号的声源位置信息，包括：通过如下公式计算声源的方位角，仰角和与参考点之间的距离：

d₂₁＝u*T₂₁；d₃₁＝u*T₃₁；d₄₁＝u*T₄₁；d₄₂＝u*T₄₂

其中，θ是声源的方位角，是声源的仰角，r是声源与参考点之间的距离，第一声音传感器的坐标值为A1(L,L,0)，第二声音传感器的坐标值为A2(-L,L,H)，第三声音传感器的坐标值为A3(-L,-L,0)，第四声音传感器的坐标值为A4(L,-L,H)，u是声音的传播速度，T₂₁是第二声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₃₁是第三声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₄₁是第四声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差；T₄₂是第四声音传感器与第二声音传感器测得声音信号的时间差。

具体参见图6所示的空间坐标示意图，根据空间位置关系可以得到声源位置的计算方法：如图6所示，在空间内布置四个传感器A1(L，L，0)、A2(-L,L,H)、A3(-L,-L,0)、A4(L,-L,H)，A1、A3位于XY平面内，A2、A4高出XY平面的距离为H，设S(x,y,z)为空间内任意一点，S点到原点O的距离为r，方位角为θ，仰角为φ，到A1、A2、A3、A4点的距离分别为:r₁、r₂、r₃、r₄，根据各点间的距离公式有：

设S点到达A1、A2两个传感器的距离差为d₂₁；S点到达A1、A3两个传感器的距离差为d₃₁；S点到达A1、A4两个传感器的距离差为d₄₁，S点到达A2、A4两个传感器的距离差为d₄₂；

则有：r2＝r1+d₂₁；r3＝r1+d₃₁；r4＝r1+d₄₁；d₄₂＝d₄₁-d₂₁；

带入上述方程组(1)可以得到S点的坐标值，换算可得距离r和方位角θ、仰角φ。

其中，d₂₁、d₃₁、d₄₁、d₄₂可以根据每个传感器测得声音信号的时间差和声速(u＝340.4m/s)求得：

d₂₁＝u*T₂₁(T₂₁：传感器A2和传感器A1测得到声音信号的时间差)

d₃₁＝u*T₃₁(T₃₁：传感器A3和传感器A1测得到声音信号的时间差)

d₄₁＝u*T₄₁(T₄₁：传感器A4和传感器A1测得到声音信号的时间差)

d₄₂＝u*T₄₂(T₄₂：传感器A4和传感器A2测得到声音信号的时间差)

通过这些运算就可以快速的获得声源的位置坐标信息：

本实施例提供的一种声源定位系统，在上述实施例技术方案的基础上，通过对声音信号基于预设算法进行处理，得到了所述声音信号的声源位置信息，实现了对系统周围的声源进行快速、精准定位。

实施例三

图7为本发明实施例三提供的一种声源定位方法的流程图，具体参见图7所示，该方法具体如下：

步骤710、通过声音传感器测得声音信号。

步骤720、通过声音处理器记录声音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差。

步骤730、通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息。

步骤740、通过声源信息输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备。

进一步地，所述通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息之后，还包括：

通过信息处理模块滤掉设定距离之内的声源位置信息；

通过信息处理模块识别所述声音信号对应的声源类型。

进一步地，所述通过声音处理器记录声音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差包括：

通过物理中断计时的方法采集各声音传感器感应到声音信号的感应时间差。

进一步地，所述通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息包括：

通过如下公式计算声源的方位角，仰角和与参考点之间的距离：

d₂₁＝u*T₂₁；d₃₁＝u*T₃₁；d₄₁＝u*T₄₁；d₄₂＝u*T₄₂

其中，θ是声源的方位角，是声源的仰角，r是声源与参考点之间的距离，第一声音传感器的坐标值为A1(L,L,0)，第二声音传感器的坐标值为A2(-L,L,H)，第三声音传感器的坐标值为A3(-L,-L,0)，第四声音传感器的坐标值为A4(L,-L,H)，u是声音的传播速度，T₂₁是第二声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₃₁是第三声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差，T₄₁是第四声音传感器与第一声音传感器测得声音信号的时间差；T₄₂是第四声音传感器与第二声音传感器测得声音信号的时间差。

本实施例提供的一种声源定位方法，通过声音传感器测得声音信号；通过声音处理器记录声音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差；通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息；通过声源信息输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备的技术手段，实现了对系统周围的声源进行快速、精准定位，同时提高了声源定位系统的人机交互性能。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。