基于到达时间差的声音定位系统研究

【摘 要】被动式声音定位系统有着广泛的应用场景，如反狙击手系统和自动报靶系统中都有应用。而放大整形信号为方波、检测上升下降沿的方法，测量精度低，检测干扰大。本文提出一种基于互相关的时延估计算法提高了系统的检测精度，采用了时间开窗的方法减少了外界的干扰。搭建试验平台实验后实验结果表明该定位方法具有结构简单，精度高的优点。

【关键词】声音定位 互相关 时延估计

一、引言

声音定位系统有着广泛的应用前景。在救援抢险中，可以利用声音传感器接收某一特定幅度或者频率的声音，再通过对声源的分析处理来获取其精确位置而进行搜救。在反狙击手系统中，由于红外探测系统和激光探测系统的视线容易被阻断，而且价格昂贵，而声信号探测系统是价格最低廉，使用最广泛的狙击手探测系统。基于二维平面的声音定位，在自动报靶系统的研究中，研究一种成本低，自动化程度高，抗干扰能力强并能精确检靶系统成为国内外研究关注的热点和研究重心。

在进行声音定位的研究中，一般采用的方法是采样信号后通过放大整形变为方波信号送入单片机，用单片机检测上升沿和下降沿，从而计算出声源信号到达两个接收器的时间差。但是上述方法容易受到干扰，测量精度低。

为了进一步提高测量的精确性和减少干扰，本文利用平面三元接收器阵列进行二维定位的原理，设计了互相关函数法进行时延估计的算法，利用坐标关系进一步定位声源的算法，从理论仿真和实验论证了算法的可行性及适用性。经过对声源定位系统的实验，证明该系统在低噪声干扰的实验环境下，可以有效的对声源进行定位。

二、系统设计

（一）系统结构

本系统采用3个成L形分布的拾音器的三元结构来完成对声源S所发出的音频信号的采集，单片机系统根据音频信号分别传递到M1，M2，M3这3个接收器的到达时间差来计算出声源相对于3个接收器的位置，从而得出S点的平面坐标。声音定位系统的结构图如图1所示。

（二）系统原理

本系统为了能精准的测量到达时间延迟差采用了互相关的时延估计算法。时间延迟是指由于信号的传输距离不同而引起的接收器阵列中不同阵元所接收到的同一目标声源信号之间的时间差。计算两路信号的互相关函数，互相关函数的峰值点对应的时间，就是所求的两路信号的时差，即两路信号最相似时所对应的时间。在进行时延估计计算之前，必须明确接收器接受信号的数学模型。

（三）接收器模型

接收器M1，M2在无混响的环境下，两个接收器接收到的信号x1（t）和x2（t）可以用下式表示为

其中s（t）为声源信号，α1，α2是声波从声源到接收器的幅度衰减系数，τ是声源信号传播到两个接收器阵元之间的相对时延，n1（t）n2（t）是互不相关的高斯白噪声，且n1（t），n2（t）与s（t）之间彼此互不相关。

（四）时延估计

比较两个信号在时域内的相似程度的基本方法是相关分析，它是最常用的时延估计方法。它是利用对两信号之间的互相关函数进行处理来进行时延估计。

其中RSS（τ-D）为信号的自相关函数，由上式和相关函数的性质可得出。当τ=D时，Rx1Rx2（τ）达到最大值，因此Rx1Rx2（τ）最大值对应的τ就是两个接收器之间的时延值。或者说，两信号的互相关函数由下面的公式给出：（7）

互相关函数描述了时域上两个信号的相互依赖关系，两路信号最相似的时刻对应了互相关函数的峰值。计算x1（t）和x2（t）的互相关函数，就是通过比较两个信号波形在不同延时值下的相似程度，进而得到互相关函数Rx1x2（τ）的图形，两接收器接收到的目标源信号的时间差τ就是该图形中的相关峰最大值位置所对应的时间值。在利用互相关时差法对时延值进行测量时，时间分辨率能够达到T，T为信号采样系统的采样时间间隔。

三、声源定位系统实验测试

（一）声音信号采集测试

本实验测试过程如下：通过串口发出命令，进行一次数据采集，声源发声后，经空间接收器阵列接收；经信号采集电路处理后，进行A/D 转换；传送至PC机，然后对接收到的信号进行处理运算，包括互相关计算、峰值检测，得到时延值，得到声程差，得出目标声源的位置信息。采样频率为100KHZ。在实验室现有条件下安装三元直角平面阵接收器阵列，接收器分别安装在x轴的正轴、y轴的正轴和原点。各阵元距离坐标原点的距离为100cm和100cm。

（二）互相关计算测试

经过MATLAB互相关计算得到的互相关函数，可以明显的看到有最高波峰存在。

将两个接收器的距离设定为特定距离，发生器和接收器在同一直线上，通过测量实际接收器的距离和计算结果进行比较。根据采样频率10us计算得到的分辨率为3.4mm。

四、结论

本文提出了时延估计算法定位声源坐标，并针对外界干扰，提出了时间开窗的方法减少外界干扰。本文所设计的时延估计算法具有精度高，坐标准确。时间开窗的办法可以有效的减少外界干扰。通过实际测试，本文所设计的时延估计算法能很好的定位声源坐标。

参考文献：

[1]李盛葆.基于MSP430单片机的声音引导智能车[J].科技信息，2009，3b.

[2]郝立果，赵凌云.声音定位引导系统设计[J].机床与液压，2011，11.

作者简介：鲁庭勇 （1988.10-），四川省眉山市，硕士研究生，专业：控制理论与控制工程。