一种矿井下的声源定位系统的制作方法

本发明涉及定位，尤其涉及一种矿井下的声源定位系统。

背景技术：

1、井工煤矿开采需要在井下布置大量的设备、车辆、人员，各种自然或人为因素造成的灾害、事故对井下工作人员的人身安全造成了极大的威胁。对井下人员、车辆进行有效的组织管理，以及对事故、灾害的救援都需要掌握井下人员、车辆、设备的精确位置数据，井下设备的远程控制、智能控制更离不开井下设备的实时精确位置数据。

2、目前井下采用的定位技术按照定位精度从低到高依次为：rfid(radiofrequencyidentification，射频识别)定位技术、zigbee定位技术和uwb(ultra-wideband)定位技术。然而，rfid定位技术只是区域定位，只能确定目标在哪个区域，无法确定目标的具体位置；zigbee定位技术定位精度有限，只能获得粗略的位置数据，无法满足车辆实时监控、设备实时控制等要求；uwb定位技术部署成本较高，需要布设基站网络，并且对于系统的要求也较高，需要有完善的基站网络、定位算法和数据处理系统。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明提出了一种矿井下的声源定位系统，以实现在矿井下基于优化的gcc-phat算法(generalized cross correlation phase transformation，广义互相关-相位变换)进行声学定位，相较现有的井下定位技术，具有定位精度高、实时性好、无需复杂的基础设施、对干扰的鲁棒性好、能深度覆盖、多径效应地利用、相对较低的系统成本等优点。

3、本发明的矿井下的声源定位系统，包括：发声装置、麦克风阵列、信号放大电路、信号采集电路和计算机端；

4、其中，所述发声装置由矿工携带，用于发出声音信号；

5、所述麦克风阵列，用于接收所述发声装置发出的声音信号，并将所述声音信号转换为第一模拟电信号；

6、所述信号放大电路，用于将所述第一模拟电压信号放大到目标电压范围，得到第二模拟电压信号；

7、所述信号采集电路，用于将所述第二模拟电压信号转化为第一音频信号并发送至所述计算机端进行处理，其中，所述第一音频信号为数字电压信号；

8、所述计算机端，用于对所述第一音频信号进行预处理，并采用优化的广义互相关-相位变换gcc-phat算法对预处理得到的第二音频信号进行时延估计，以基于估计的时延，结合位置估计算法确定所述第二音频信号对应的发声装置的位置。

9、本发明实施例所提供的技术方案包含如下的有益效果：

10、本发明的矿井下的声源定位系统由矿工携带发声装置，发出声音信号，计算机端采用优化的gcc-phat算法进行时延估计，并基于估计的时延，结合位置估计算法确定对应的发声装置的位置。由此，可实现在矿井下基于优化的gcc-phat算法进行声学定位，相较现有的井下定位技术，具有定位精度高、实时性好、无需复杂的基础设施、对干扰的鲁棒性好、能深度覆盖、多径效应地利用、相对较低的系统成本等优点。

11、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种矿井下的声源定位系统，其特征在于，所述声源定位系统包括发声装置、麦克风阵列、信号放大电路、信号采集电路和计算机端；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述优化的广义互相关-相位变换gcc-phat算法是采用优化的扩散卷积递归神经网络dcrnn对gcc-phat算法进行优化得到的，其中，所述优化的dcrnn是采用设定的优化器对dcrnn的模型参数进行更新得到的，所述设定的优化器包括随机梯度下降sgd、adam、adagrad、rmsprop和adadelta中的任意一个。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进行时延估计的预处理得到的第二音频信号的数量为至少两个；所述计算机端，用于：

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述设计好的cnn由多个卷积层堆叠得到，任一所述卷积层之后添加池化层，各所述卷积层之间添加残差连接；

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述设计好的rnn采用长短期记忆网络lstm结构，并引入注意力机制；

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置估计算法为几何定位法；所述计算机端，用于：

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预处理包括预滤波、分帧加窗和端点监测；所述对所述第一音频信号进行预处理，包括：

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述基于设定的能量阈值、过零率阈值和短时能量窗口大小，采用短时能量法对所述分帧加窗信号进行端点监测，包括：

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述计算机端还用于对所述滤波信号进行时域和频率分析，和/或，噪声分析，以在需要调整滤波器参数的情况下，采用重新设计好的滤波器，重新进行预滤波，其中，所述滤波器的参数包括所述阶数和/或所述截至频率；

10.根据权利要求1-9中任一项所述的系统，其特征在于，所述麦克风阵列的麦克风基于至少一个性能参数选取，所述性能参数包括指向性、信噪比、灵敏度和频率响应范围；

技术总结
本发明提出一种矿井下的声源定位系统，系统包括发声装置、麦克风阵列、信号放大电路、信号采集电路和计算机端，其中，发声装置由矿工携带，用于发出声音信号；麦克风阵列，用于接收发声装置发出的声音信号，并将声音信号转换为第一模拟电信号；信号放大电路，用于将第一模拟电压信号放大到目标电压范围，得到第二模拟电压信号；信号采集电路，用于将第二模拟电压信号转化为第一音频信号并发送至计算机端进行处理；计算机端，用于对第一音频信号进行预处理，并采用优化的GCC‑PHAT算法对预处理得到的第二音频信号进行时延估计，以基于估计的时延，结合位置估计算法确定第二音频信号对应的发声装置的位置。由此实现在矿井下基于优化的GCC‑PHAT算法进行声学定位。

技术研发人员：刘备战,马程,刘安强,赵洪辉,李雷军,吴昊阳,马伟,贺亚飞,乔国强,张宝鹏,杨斐文,李济洋,欧阳敏,张培垚
受保护的技术使用者：中煤科工开采研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17