声源定位

r=3电 声 基 础 0@悯@响t 匡0@@t ⑨圃@⑨凹 锄@ 文窜编号 ：1002-8684(2007)12—0004—03 一 种平面传声器阵列在声源定位中的研究 林积微 ，欧 阳清 ．李 辉 (海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033) ·论文· 【摘 要】空域中声源定位主要利用传声器阵列到达时间差(TDOA)技术实现，为避免阵列自身精度对测量的影响 和复杂的计算，提出一种便捷的平面十字形传声器阵列模型，分析声源定位 TDOA技术和模型在三维空间中的应 用，给出了定位算法和误差公式，论证 了模型在构造、计算方面的优势。系统虽在精度等方面有待进一步提高．但对 无源定位 的方法和 阵列构造有较 强的实用价值 ，在 各类阵列技术领域 中有广泛 的应用前景。 【关键词】声源定位；传声器阵列；到达时间差 【中图分类号】TN912 【文献标识码】A Research on Haft-aerial Acoustic Source Location Using Planar Microphone Array LIN Ji—wei，OU—YANG Qing，LI Hui (College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China) 【Abstract】The acoustic source location is mainly implemented by TDOA(Time Difference of Arriva1)technique with microphone array， and its accuracy relates with the array S structural parameters． In order to avoid the influence on the accuracy by array itself and the complicated calculation， a crossed microphone array model with simple and direct structure is proposed，and location arithmetic and error formulae are given．Although it needs to be improved，this system can be applied extensively in source location and microphone array． 【Key words】acoustic source location；microphone array；TDOA 1 引言 声学无源定位包括无源测向和无源测距，是声学 无源预警系统的重要环节，其测向和测距精度受环境 干扰及系统误差等诸多因素影响l1]。传声器阵列声源定 位是空域声源定位的主要技术之一。传声器阵列声源 定位方法主要分为三类。第一类是基于最大输出功率 的可控波束形成(steered beamf0rn1er)技术 ，对传声器 阵列接收到的信号进行滤波及加权求和，然后直接控 制传声器阵列的波束，使其指向最大输出功率的方向。 第二类基于高分辨率谱估计技术，通过求解传声器阵 列接收到的信号之间的相关矩阵来确定声源方向。第 三类基于声波到达时间差(Time Difference of Arrival， TDOA)技术，利用声音到达不同位置传声器的时间差 来定出声源方向。与前两种方法不同，该方法首先估 计时问延迟 ，然后计算 出声源位置 ；运算量较小 ，易 于实时处理[2-3]。 目前有多种TDOA技术传声器阵列模型 ，如双传 声器形、直线形 、平面形 、圆形 、锥形和球形等 。不同 团堕妻熊煎 生蔓 鲞蔓] 塑 的阵列模 型有各 自的优缺点，可用来处理不同的实 际情况。但解决空域的声源定位，因面临的环境复杂 ， 阵列制作 的本身精度对测量影响极大 ，只有尽量简 洁的阵列 、最直接的算法在实际应用中才会得到最 好的发挥。 笔者提出一种用于半空域声源探测的平面十字形 传声器阵列结构设计，整个阵列在同一个平面上，避免 了三维阵列的复杂性，简化实际制作工作。可直接计算 对半空域的声源定位，实现简单快捷。传声器阵列结构 示意图如图 1所示 ，其中“o”示传声器所在位置。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 TD0A技术 TDOA技术通过测量声音传到传声器阵列中不同 传声器的相位差，经过换算得到声源的方位 ，进而计算 出声源的距离。根据声源和传声器阵列(采用等距线 阵)之间距离 的远近 ，声音信号 的传播模型可分为 2 种，即远场模型和近场模型I 。 2．1 远场模型 在远场情况下，声源与参考传声器之间的距离大 于 2d~／A ， 其中Ami．为声源的最小波长 ，d为阵列孔 径，即相邻传声器间距离。此时，传声器阵列处的信号 波前可视为平面波，如图2所示，其中平行直线表示平 面波声场的波阵面。以第 1个传声器接收信号为基准， 第 m个传声器接收信号延时 ：m一1)垡 (1) ”‘ C 其中，C为声音传播速度； 为声源与阵列方向的夹角。 2．2 近场模型 在近场情况下，传声器阵列处的信号波前为球面 波 ，如图 3所示，其中圆弧表示球面波声场的波阵面。 第1个传声器与声源之间的距离为r=V ，以第1 个传声器的波达方向TDOA为基准，第 m个传声器与 声源之间的距离 s：~／[x-(m-1)d]2+y2：~／r2-2(m-1)dx+(m-1)2d2： V／-2(m一1)drsin +(，n一1) d (2) 第 m个传声器接收信号延时(相对第 1个传声器) 厂 ————————————————————————— — ： 二 ：二 ( 二 2 ( 二 (3) ”‘ C 2．3 常用传声器阵列 TDOA技术 通常传声器阵列有平面四元阵、圆周阵列 、全空域 锥形六元阵列等。平面四元阵定位法存在定位模糊，不 能满足运动目标全空域定位的要求，而且其高低角和 距离测量受阵元间距和有效声速的影响比较大。增加 匡0@ 词@响 圈 匡0@@ ⑨圈@⑨ 锄@ 电声基 础 一 个阵元后 ，可通过相位 比较粗略判定 目标的方向， 使阵列具备全空域定位能力 ，但该阵元对提高定位精 度贡献并不大。全空域锥形六元阵列，其俯仰角估计精 度只与时延测量精度相关，但构造复杂，阵列本身制作 精度对系统影响很大，而且锥形结构占据体积较大，很 多情况下应用受到限制141。 3 平面十字传声器阵列在TDOA技术 中的应用 对平面十字传声器阵列建立三维直角坐标系，如 图 4所示。声源定位主要包括声源定向和测距 2个方 面。笔者提出一种基于平面十字阵列的快速半空域声 源定向的方法，适用于远场模型，并介绍一种可以直接 应用的常用测距方法。 2组垂直交叉的阵元(如图 4“·”所示)坐标分别为 (1) o(0，0，0)， 。(d，0，0)，X2(一d，0，0)，X3(2d， 0，0)，X4(一2d，0，0)，⋯⋯ (2)Y．(0，d，0)，Y2(0，一d，0)，Y3(0，2d，0)，Y4(0， r 2d，0)，⋯⋯ 其中，r为 目标(声源)T(x，Y， )到阵形中心(坐标原点) 的距离，0为俯仰角， 为方位角 ，d为阵列内同轴二阵 元的距离。设 目标为点声源 ，目标发出的声信号以球 垒童塑蹩 !圭蔓 !鲞蔓! 塑固 维普资讯 http://www.cqvip.com 口 电 声基础 0@ @响 囿 匡0@@也P⑥囿@⑥凹s锄@s 面波的形式传播，声源与参考传声器之间的距离大于 ， 2d从，到达阵元 。的传播时间为 t。；根据远场理论 ，可 利用平均方法得到 轴，)，轴方向上阵元时间差 r ，r 3．1 三维定向计算 采用解析几何方法计算声源方向，根据测量得到 的时间差 ，得到声源方向与 ，y轴方向的夹角。由几何 知识可知，以原点为顶点、 轴为轴线的圆锥面上所有 通过原点的直线与 轴均保持一定夹角。同理 y轴夹 角也对应一个圆锥面，两锥面相交即可得到声源所在 方向的直线方程。对 ，y轴方向上的传声器阵列 ，根据 式(1)，设 m=2，声源与 ，Y轴的夹角分别为 ， ， k,=tan ：] 一： V1--sin‘0 k2=tan0 y ： ： 、／1一sinto (4) (5) z=k 和z=k2y分别绕 )，轴和 轴旋转的锥面相交 得到声源所在方向的直线方程 r 2 2 2 2 IZ+v= ， ：旁 如 对式(6)进行处理，得到其在XY平面上的投影 (7) 方位角 ⋯ ＼／接2-+arctan ㈣ 其中，“±”由交线所在象限判断 ，即： >0，k2>0时，投影 在第一象限，o< <90。； 1<0，k 2>0时，投影在第二象 限，90。0，k2<0时投影在第四象限，270。< <360。。 因为 c。s ： (9) COS 则俯仰角 嘶 翌 (10) 由于研究范围为半空域 ，z>O，故 0。<0<180。。 根据式(8)和式(10)，可快速实现对声源的定 向， 在计算上充分体现出十字阵列相对于其他三维定位阵 固!!!查熊查 生蔓 堂蔓! 塑 列的优势。 、 3．2 对声源距离的测量 选取 ， ，)， ，)， 4个传声器组成平面四元阵，由 四阵元测距原理可得距离的估计[8-91 (11) ‘ 2( I--X2 ～ x,-y=--Tx ) 其中，r 表示两点之间的到达时间差。 若阵列有(2Ⅳ+1)个传声器 (Ⅳ为偶数)，即 轴，y 轴方向上各有(N+I)个 ，可对上述测距进行 N／2次测 量。由加权最小二乘法的最小均方误差原理 ，利用加权 最小二乘法将 N／2个距离估计合成 1个距离估计结 果，可以提高距离估计精度 r= ∑W。 (12) 其中，各距离估计的加权系数 满足∑Wp=1的约束 条件。根据多元函数求极值理论 ，总均方误差最小时所 对应的加权系数 = — ， p=l，2，3，⋯ (13) 0- 2∑ I 其中， 为第 i个距离估计的

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差。 3．3 对声源定位精度的影响【堋 时延 r的估计误差具有相同的统计特征。设 r的 方差为 ，由式(8)求 对 r ，Ty的偏导，由时延估计差 引起的方位角 误差 厂——— _————— =＼／(篑 (等) =击 c 4， 同理 ，对式(9)求偏导 ，俯仰角 0误差为 =1y／ 刮等) = ， 通过三角变换得距离估计误差 =1y／(彘 ＼2／ Or 2 Or 2 — — — 一 (16) 1 1 1 一r 、 一， D。sin。 [1一sin‘(2 )] 可见，若不考虑其他因素影响，方位角估计误差随 时延估计误差和俯仰而变化，方位角误差在俯仰角接 近0。时急剧增大。俯仰角估计误差随着估计时延误差 f下 转 第 9页 ) √V √V 维普资讯 http://www.cqvip.com 音响系统 白天鹅 DMX512 控制系统 LED屏幕 视频表演 激光表演 空中利剑 表演 音 响系统 芳村酒吧一条街 DMX512 控制系统 总控制 LED屏幕 视频表演 激光表演 空中利剑 表演 音响系统 洲头嘴公园 DMX512 控制系统 音响 系统 鹤洞大桥 DMX512 控制系统 图 2 控 制系统结构图 4 结论 声像灯光智能网络集控平台在国内多个重要大型 场所成功应用实例印证了项目的研究成果可应用的领 域有：科学中心 、展览中心 、博物馆 、科学馆 、音乐厅 、 剧院 、大型流动演出、体育场馆 、会议中心 、广播电台 、 电视台、学校 、酒店 、车站 、码头 、机场、广场 、商场 、主 凹 6⑥ 妻塑 矍 匡响 6响@@ 6响 题公园、住宅小区、歌厅、俱乐部 、智能建筑、大型城市 亮化工程、建筑照明系统 、景观建筑工程等场所，市场 前景广阔。 【责任编辑】侯 莉 【收稿 日期】2007—11—28 (上 接 第 6页 ) 线性增大。利用最小二乘法对多组距离估计进行加权 处理，测距精度上比四元阵有了一定的提高。 4 结束语 实现空域无源声源探测，真正走向实用领域仍要 面对许多困难 ，十字形传声器阵列仅是探索。该阵型 实现了平面二维阵列对三维半空域的探测 ，测角精度 较高，测距精度上有了一定的提高。由于传声器设计 在 同一平面上 ，降低制作难度 ，也为控制 自身误差对 测量的影响提供一定保证 ，但在某些范围内精度仍不 够理想，实际控制方法方面也存在明显不足’。方法和 结论对设计高效 、实用 、可行的传声器阵列模型有着 重要的实际意义。 参考文献 [1】朱广信 ，陈彪 ，金蓉．基于传声器阵列的声源定位【J]．电 声技术 ，2003(1)：34—36． [2】王学青，时银水，朱岩．一种全空域无源定位的传声器阵 列[J】．电声技术，2006(2)：4—1 1． [3】李海成．基于传声器阵列的自动声源定位方法『J]．辽宁 师范大学学报：自然科学版，2006，29(2)：168—171． [4]林志斌，徐柏龄．基于传声器阵列的声源定位【J】．电声技 术 ，2004(5)：19—23． [5】BRANDSTEIN M S， ADCOCK J E， SILVERNMAN H F．A practical time-delay estimator for locating speech sources with a microphone array[J]．Computer，Speech， and Language，1995，9(2)：153-169． [6】马大猷 ，沈嚎．声学

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[M】．北京：科学出版社 ，2004． [7】BRANDS rEIN M S， SILVERMAN H F． A practical methodology for speech source localization with micro— phone arrays哪．Computer，Speech and Language，1997， 11(2)：91—126． [8】孙仲康．单多基地有无源定位技术[M】．北京：国防工业 出版社 ，1996． [9】肖峰 ，李惠昌．声、武器和测量[M】．北京 ：国防工业出版 社 ．2002． [10】王昭，李宏，赵俊渭，等．空气声被动定位的误差分析【J]． 应用声学 ，1998，12(3)：39—43． 作者简 介 林积微 ，硕士研究生 ，主要研究方 向为智能机械及 自动测量 ； 欧阳清 ，博 士 ，副教授 ，主要研 究方 向 为机械 自动化及 振动 测量 ； 李辉 ，硕士研究生，主要研究方向为 自动化测量与可视技术。 【责任 编辑】侯莉 【收稿 日期】2007—08—17 111查熊堂 !圭蔓 堂蔓 塑团 膊皴一皴一制演 一 一神表 幕演ll演：剑 一一一一一一黼 维普资讯 http://www.cqvip.com