一种基于嵌入式阵列的误差分析装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于嵌入式声传感器阵列的误差分析装置及方法。该方法在真实声场环境下，首先取用嵌入式声传感器阵列系统录制的待分析信号，通过声音活动性检测找到待测声源信号端点；然后利用基于到达时间差的声源定位算法来估计声源方向。在求到达时间差时，使用基于相位的广义互相关函数，计算声源方向，并与理论声源方向进行对比。最后通过基本的统计学方法，对待测声源信号的角度误差绘制统计图，得出误差产生的原因和角度误差的分布规律。本发明的方法考虑到各种影响因素，使用了较为全面客观的数据，能够通过修正角度误差提高嵌入式声传感器阵列的测向准确度。
【专利说明】
-种基于嵌入式阵列的误差分析装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于误差分析领域，具体设及到嵌入式声传感器阵列系统在进行远场声源 测向时存在角度误差的误差分析装置及方法
【背景技术】
[0002] 声源测向技术因其具有很强的抗电磁干扰能力，在实际应用中有着广泛的研究基 础。在智能传感逐步深入实际生活的现如今，从消费电子方面到军事系统方面等，智能声传 感器阵列已经应用在诸多领域。受电路微型化的影响，对嵌入式阵列系统的使用越来越多。 嵌入式系统不仅包括对传统系统的集成，还包括对于集成后的小型系统的封装。对系统的 集成，节约了系统的所占空间，使得声传感器间距相比于传统的声传感器阵列要小的多，可 忽略声音幅度的衰减，但增大了测向的角度误差。早在几年前就有国内学者提出了关于 MEMS声传感器在封装后测向出现误差的问题（Sound source localization based on directivity of MEMS microphones,Solid-State and Integrated Circuits Technology,Proceedings .7th International Conference on,Xiaoming Wu；Tianling Ren; Litian Liu)，但是文章分析特征单一，物理意义也并不明确。不能反映出问题存在真 正原因。
[0003] 为了防止空气中的杂质、灰尘等对电路的腐蚀而造成系统的性能下降，必须保证 系统器件与外界隔离，就需要对系统进行封装。封装后的系统留有各种接口，方便与其他器 件的连接。然而嵌入在封装外壳内的声传感器阵列，由于受到微型化系统及封装外壳的影 响，对声源方向的估计存在一定的误差。并且声波在传播过程中，受封装外壳的影响，沿外 壳爬行，使得延时偏大。
[0004] 但是现有技术中尚无一种基于嵌入式阵列的误差分析装置及方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于嵌入式阵列的误差分析装置及方法。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于嵌入式阵列的误差分析装置，包括 发声装置、声音采集装置和PC机，其中：
[0007] 发声装置用于发出声音；
[0008] 声音采集装置用于采集发声装置发出的声音，该装置与发声装置的高度一致，相 距10~15m;
[0009] PC机用于接收声音采集装置采集到的音频信号并对其进行后期处理。
[0010] -种基于上述误差分析装置的误差分析方法，包括W下步骤：
[0011] 步骤1、利用声音采集装置采集发声装置发出的音频信号，在采集过程中转动声音 采集装置，从而采集来自不同方向的音频信号；
[0012] 步骤2、对采集到的信号进行预处理，具体是对信号进行短时分帖、端点检测处理， 从而提炼出所需音频片段；
[0013] 步骤3、对步骤2提炼出的音频片段进行测向分析，得出声源方向；
[0014] 步骤4、计算声源测向的角度误差，得出误差分布规律。
[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法考虑到各种影响因素，使 用了较为全面客观的数据;2)本发明的方法通过具体数据总结误差分布规律得出嵌入式声 传感器阵列中存在的声波绕道传输现象，能够适用于其它各种嵌入式声传感器阵列结构； 3)本发明的方法数据可靠，易于实施，操作简单;4)本发明的装置结构简单，便于搭建。
[0016] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明使用的嵌入式阵列的装置拓扑图。
[0018] 图2是本发明基于嵌入式阵列的误差分析流程图。
[0019] 图3是本发明对角度误差分析绘制的统计图，其中图（a)为角度误差分布直方图， 图（b)为角度误差随声源方向改变的误差均值分布图，图（C)为修正后的角度误差随声源方 向改变的误差均值分布图，图（d)为延时误差随声源方向改变的分布规律图。
[0020] 图4是本发明对角度误差产生原因进行分析的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 结合图1，本发明的一种基于嵌入式阵列的误差分析装置，包括发声装置、声音采 集装置1和PC机，其中：
[0022] 发声装置用于发出声音；
[0023] 声音采集装置用于采集发声装置发出的声音，该装置与发声装置的高度一致，相 距10~15m;
[0024] PC机用于接收声音采集装置采集到的音频信号并对其进行后期处理。
[0025] 所述声音采集装置1包括扁平方形外壳、四个微型声传感器、内置电池和可编程处 理板，其中四个微型声传感器、内置电池和可编程处理板均位于扁平方形外壳壳体内，所述 扁平方形外壳为上下两层结构，分别为上壳体和下壳体，上壳体内设置四个微型声传感器、 内置电池，下壳体内设置可编程处理板，该可编程处理板通过通讯接口将数据传送至PC机。
[0026] 所述四个微型声传感器位于同一高度，构成方形阵列，每个微型声传感器朝向壳 体侧壁的外侧。
[0027] -种基于上述误差分析装置的误差分析方法，包括W下步骤：
[0028] 步骤1、利用声音采集装置采集发声装置发出的音频信号，在采集过程中转动声音 采集装置，从而采集来自不同方向的音频信号;转动声音采集装置的角度为0°~360°。
[0029] 步骤2、对采集到的信号进行预处理，具体是对信号进行短时分帖、端点检测处理， 从而提炼出所需音频片段；
[0030] 对信号进行短时分帖、端点检测处理具体为：
[0031] 步骤2-1、采用帖重叠的方法进行短时分帖处理，每一帖数据作为一个样本；
[0032] 步骤2-2、计算每一个样本的能量化，若能量化高于口限值Eq,则执行步骤2-3,否则 不处理，所述样本的能量化的确定公式为：
[0033]
[0034] 其中，X表示每帖信号，k表示帖数，I表示每帖中的各个样本点序号，N为每帖中样 本点总数；
[0035] 步骤2-3、计算短时过零率Z，若Z在口限范围内，表示检测到声源信号，否则不是声 源信号，所述短时过零率Z的确定公式为：
[0036]
[0037] 其中，S即[]表示符号函数。
[0038] 步骤3、对步骤2提炼出的音频片段进行测向分析，得出声源方向；对音频片段进行 测向分析，具体为：
[0039] 步骤3-1、对提炼出所需音频片段xi(n)进行快速傅里叶变换，得到的频域信号记 为Xi( CO )，i = l，2,3...为声传感器的个数，n为整数，表示在信号中的点数序号，CO表示角 频率；
[0040] 步骤3-2、确定四个微型声传感器中两两的互相关函数馬.、，所述互相关函数A,*, 的确定公式为：
[0041]
[0042] 式中，Gu(CO)为声传感器i和声传感器j获取信号的互相关功率谱，其公式为:GiJ (O )=Xi( CO )X/( CO )，Xi( W )是频域信号，X/( W )是信号在频域内的共辆，y^ij( W )为加权 函数，
O )Gu( W )为广义互相关功率谱；
[0043] 步骤3-3、对互相关函数馬A (幻馬:&.枉)做傅里叶逆变换后可得到时间延迟TU，所 述时间延迟TU的确定公式为：
[0044]
[0045] 其中，Tl康示使得心（T彼最大值时对应的位置.
[0046] 步骤3-4、构建时间-角度模型，具体为：
[0047]
[004引其中，m为做互相关变换的组数，0为声源实际所在方向角度，巧为声传感器到坐标 原点的向量，目[0°，360°]为F:与X轴正方向之间的夹角，g=(CGS武S化巧为声源坐标，取声音 从声源S到坐标原点所用时间为加寸刻，TU为声传感器之间的时间延迟，C为声速；
[0049] 步骤3-5、将步骤3-3得到的时间延迟TU带入步骤3-4所构建时间-角度模型，从而 得到声源实际所在方向角度0。
[0050] 步骤4、计算声源测向的角度误差，得出误差分布规律。具体为：
[0051] 步骤4-1、确定步骤3得到的声源实际所在方向角度0与理论声源所在方向角度00 之间的角度误差A 0，其确定公式为：
[0052] A0 =目-白 0;
[0053] 步骤4-2、将理论声源所在方向角度00带入上述时间-角度模型，得出理论时间延 迟T'U，之后计算实际时间延迟TU与理论时间延迟T'U之间的延时误差Atu,其确定公式 为：
[0054] Aiij = T：u-T：，ij;
[0055] 步骤4-3、转动声音采集装置，重复步骤4-1~步骤4-2,得到角度误差A 0和延时误 差A TU的数据集，并对其进行统计分析，得出误差分布规律。
[0056] 下面结合实施例进行更详细的描述：
[0057] 针对嵌入式阵列系统伴随的误差问题，本发明提出了一种基于嵌入式阵列的误差 分析方法。该方法适用于各种嵌入式阵列系统。具体使用了一种嵌入式声传感器阵列系统， 在真实声场环境下录取声音信号，使用基于到达时间差的声源定位算法来估计声源方向， 并与理论声源方向进行对比。分析系统在各种不同工作环境下测向的角度误差，得出待测 声源信号的角度误差的分布规律，分析误差产生原因，通过修正角度误差提高嵌入式声传 感器阵列的测向准确度，使系统能在实际环境下实现高准确度测向性能。
[0058] 结合图1所示的嵌入式阵列的装置拓扑图，本发明所用的嵌入式阵列系统为一种 嵌入式声传感器阵列系统，其构成包括:包括扁平方形外壳、四个微型声传感器、内置电池 和可编程处理板，其中四个微型声传感器、内置电池和可编程处理板均位于扁平方形外壳 壳体内，所述扁平方形外壳为上下两层结构，分别为上壳体和下壳体，上壳体内设置四个微 型声传感器、内置电池，下壳体内设置可编程处理板。通过通讯接口将数据传送至PC端，通 过开关控制嵌入式系统的电源供电。
[0059] 结合图2,本发明的一种基于嵌入式阵列的误差分析方法，步骤如下：
[0060] 第一步，声源信号的采集:发声器发出的是高斯白噪声，其频率为48曲Z，使用带有 四个微型声传感器的嵌入式阵列用来获取声源信号，测得当声源方向来自不同方向的数 据，从0度开始，按逆时针方向每隔30°改变声源方向，再进行录取，直至录取一个圆周的声 源信号。
[0061] 第二步，对声源信号的预处理，首先读取用上述专用测量装置录制的含有声源信 号的数据，然后将数据分割成样本，并对声源信号进行端点检测，将无声源信号数据滤除， 具体内容如下：
[0062] (1)将四个声传感器采集的四个通道信号进行短时分帖，采用帖重叠的方法，避免 失真。每一帖数据作为一个样本；
[0063] (2)计算短时帖能量
，若Ek高于口限值Eo,则计算短时过零率；
[0064] (3)计算短时过零率.
，若Z在口限范围内，表示检 测到声源信号。
[0065] 第=步，对声源信号进行测向分析，采用基于到达时间差的方法，得到声传感器之 间的时间延迟，建立声源测向方程组，得出声源方向。具体内容如下：
[0066] (1)对获得的四路数字信号分别记为xi(n)，X2(n)，X3(n)，X4(n)，对经过分帖和端 点检测的信号做快速傅里叶变换，得到的频域信号分别为Xl( CO )，X2( CO )，X3( CO )，X4( CO )， ?表示角频率。
[0067] (2)利用基于相位谱的广义互相关算法得到声传感器之间的时间延迟，即声音的 到达时间差，分别计算由（1)得到的频域信号Xl( CO )，X2( ? )，X3( ? )，X4( ? )两两之间的互 相关函数，共6组，分别为Xl( ? )与X2( ? )、Xl( ? )与X3( ? )、Xl( ? )与X4( ? )、X2( ? )与X3 (O )、X2( ? )与X4( ? )、X3( ? )与X4( ? )，计算公式为：
[006引
[0069] 其中，Gu( CO )=Xi( CO )X/( CO )，Gu( CO )为声传感器巧日声传感器j获取信号的互相 关功率谱，X J ^ CO )是信号在频域内的共辆。W 1 ^ O )为加权函数，在此，
' W u( O )Gu( CO )即广义互相关功率谱，将其做傅里叶逆变换后得到 时间延迟TU:
即使得气、.,(r)取最大值时对应的位置，就是声传感器i 和声传感器j的声音到达时间差。
[0070] (3) W声传感器阵列平面建立平面直角坐标系，四个声传感器处于四个象限内，设 声传感器到坐标原点的向量为巧，声源位置到坐标原点的向量为?，，0[0° ,360° ]为g与X轴正 方向之间的夹角，取声音从声源S到坐标原点所用时间为0时刻，TDOAi为声传感器相对于0 时刻的时间延迟，Tu为声传感器之间的时间延迟，C为声速。< 巧，/; >为向量点乘，表不向量吃 在巧上的投影，根据速度公式有：
[0071
[0072 :日下矩阵：
[0073
[0074]第四步，对数据做统计分析，计算声传感器之间的延时误差和声源测向的角度误 差，进行统计学分析。通过多次试验，每次试验中，当声源方向在0[0° ,360° ]间W30°变化 时，每个角度采集多组声音，通过上述专利要求得出四个声传感器之间的时延和声源方向 的估计值，对延时误差和角度误差进行统计。
[0075] 对每次的实验结果，观察角度误差的分布情况;当声源处于某一角度时，对多次实 验结果进行角度误差分析，计算角度误差的均值和均方根，得出角度误差与声源的来向的 关系及角度误差的波动情况。
[0076] 结合图3、图4,是本发明对延时误差和角度误差分析绘制的统计图及误差原因分 析的流程图，可W看出声源测向出现的角度误差分布特征及其与声源所在方向的关系、延 时误差分布特征及其与声源所在方向的关系。取逆时针方向为正方向：
[0077] 从图3加寸延误差分布规律，分析得出，误差最大处为声源方向背对声传感器所在 平面时。由图3,通过数据计算分析可W验证延时误差存在的原因是声波绕封装壳体爬行， 使得实际传播距离大于理论传播距离，导致到达时间差变大，出现测向角度不精准。
[0078] 从图3曰、图3b可W看出，当声源方向在0度到360度之间时，角度误差基本上是呈右 偏，变化范围基本在0度到5度，其中2度左右居多，取角度误差均值的均方根值约为2度。可 W有针对性的对角度误差进行-2度补偿的方式，结果如图3c。从图3c可W看出对误差进行 补偿后，角度误差均值变小，提高了测向的准确度。
[0079] 本发明的方法W真实声场为背景，W高斯白噪声作为声源，采用基于统计学的分 析方法，分析嵌入式阵列系统在测向时存在误差的原因。通过本发明的方法，可W找到误差 产生的原因及其规律，并有针对的对嵌入式系统的测向误差进行补偿，实现嵌入式系统的 高准确度测向。因此，本发明可用于对嵌入式声传感器阵列中存在的声波绕道传输现象进 行定量判断，能够适用于其它各种嵌入式声传感器阵列结构。
【主权项】
1. 一种基于嵌入式阵列的误差分析装置，其特征在于，包括发声装置、声音采集装置 [1]和PC机，其中： 发声装置用于发出声音； 声音采集装置用于采集发声装置发出的声音，该装置与发声装置的高度一致，相距10 ~15m; PC机用于接收声音采集装置采集到的音频信号并对其进行后期处理。2. 根据权利要求1所述的基于嵌入式阵列的误差分析装置，其特征在于，所述声音采集 装置[1]包括扁平方形外壳、四个微型声传感器、内置电池和可编程处理板，其中四个微型 声传感器、内置电池和可编程处理板均位于扁平方形外壳壳体内，所述扁平方形外壳为上 下两层结构，分别为上壳体和下壳体，上壳体内设置四个微型声传感器、内置电池，下壳体 内设置可编程处理板，该可编程处理板通过通讯接口将数据传送至PC机。3. 根据权利要求2所述的基于嵌入式阵列的误差分析装置，其特征在于，所述四个微型 声传感器位于同一高度，构成方形阵列，每个微型声传感器朝向壳体侧壁的外侧。4. 一种基于权利要求1所述装置的嵌入式阵列误差分析方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1、利用声音采集装置采集发声装置发出的音频信号，在采集过程中转动声音采集 装置，从而采集来自不同方向的音频信号； 步骤2、对采集到的信号进行预处理，具体是对信号进行短时分帧、端点检测处理，从而 提炼出所需音频片段； 步骤3、对步骤2提炼出的音频片段进行测向分析，得出声源方向； 步骤4、计算声源测向的角度误差，得出误差分布规律。5. 根据权利要求4所述的误差分析方法，其特征在于，步骤1中转动声音采集装置的角 度为0°~360°。6. 根据权利要求1所述的误差分析方法，其特征在于，步骤2中对信号进行短时分帧、端 点检测处理具体为： 步骤2-1、采用帧重叠的方法进行短时分帧处理，每一帧数据作为一个样本； 步骤2-2、计算每一个样本的能量Ek，若能量Ek高于门限值E〇,则执行步骤2-3,否则不处 理，所述样本的能量Ek的确定公式为：其中，X表示每帧信号，k表示帧数，1表示每帧中的各个样本点序号，N为每帧中样本点 总数； 步骤2-3、计算短时过零率Z，若Z在门限范围内，表示检测到声源信号，否则不是声源信 号，所述短时过零率Z的确定公式为：其中，sgn[]表示符号函数。7. 根据权利要求1所述的误差分析方法，其特征在于，步骤3中对音频片段进行测向分 析，具体为： 步骤3-1、对提炼出所需音频片段^(1〇进行快速傅里叶变换，得到的频域信号记为Xi (ω )，i = 1，2，3...为声传感器的个数，η为整数，表示在信号中的点数序号，ω表示角频率； 步骤3-2、确定四个微型声传感器中两两的互相关函数馬,.?，所述互相关函数氧@的确定 公式为：式中，GJ ω )为声传感器i和声传感器j获取信号的互相关功率谱，其公式为:Gd ω )= Χ,( ω )Χ/( ω )，Xd ω )是频域信号，Χ/( ω )是信号在频域内的共辄，Ψ^( ω )为加权函数，广义互相关功率谱； 步骤3-3、对互相关函数做傅里叶逆变换后可得到时间延迟所述时 间延迟的确定公式为：其中，τυ表示使得义、（「)取最大值时对应的位置； 步骤3-4、构建时间-角度模型，具体为：其中，m为做互相关变换的组数，Θ为声源实际所在方向角度j为声传感器到坐标原点 的向量，θ[0° ,360° ]为ξ与X轴正方向之间的夹角,? =(c〇s武sin#)为声源坐标，取声音从声 源s到坐标原点所用时间为〇时刻，为声传感器之间的时间延迟，c为声速； 步骤3-5、将步骤3-3得到的时间延迟带入步骤3-4所构建时间-角度模型，从而得到 声源实际所在方向角度Θ。8.根据权利要求4所述的误差分析方法，其特征在于，步骤4中计算声源测向的角度误 差，具体为： 步骤4-1、确定步骤3得到的声源实际所在方向角度Θ与理论声源所在方向角度θ〇之间的 角度误差Α Θ，其确定公式为： Δ θ = θ-θ〇 ； 步骤4-2、将理论声源所在方向角度θ〇带入上述时间-角度模型，得出理论时间延迟τ ，之后计算实际时间延迟与理论时间延迟τ、之间的延时误差Δτ^，其确定公式为： Δ Tij = Tij-x ij ； 步骤4_3、转动声首米集装置，重复步骤4_1~步骤4_2,得到角度误差Δ Θ和延时误差Δ 的数据集，并对其进行统计分析，得出误差分布规律。
【文档编号】G01S3/80GK105954710SQ201610526960
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】郝占雪, 罗磊, 许志勇, 赵兆, 王旭
【申请人】南京理工大学