基于傳聲器陣列的聲定位系統研究與設計

王永雄,劉　杰,陳家運

（青島理工大學,山東　青島　266520）

基于傳聲器陣列的聲定位系統研究與設計

王永雄,劉杰,陳家運

（青島理工大學,山東青島266520）

摘要：對當前傳聲器陣列定位技術特點、關鍵技術等做了深入分析后，提出一種改進的廣義互相關（GCC）時延估計算法，在元GCC算法基礎上，加入了加窗分幀與靜音檢測（VAD）判斷法，彌補了原算法針對室內回響混響干擾的不足。系統以LabVIEW結合MATLAB為仿真平臺，討論了五元十字陣列在不同條件下的定位精度，實驗表明：系統能夠比較準確的對半空間域的低空聲源進行定位，并能夠實現多個聲源判決定位，具有一定現實意義。

關鍵字：傳聲器陣列；廣義互相關；被動定位；五元十字陣

0　引言

聲源定位技術是利用聲學和電子裝置接受并處理聲場信號，以確定聲源位置的一種技術。傳聲器陣列是指由若干個傳聲器按一定的幾何結構排列而成的陣列，它具有很強的空間選擇性，可以在一定的范圍內實現聲源的定位與跟蹤[1]。目前，傳聲陣列主要有：一字陣、十字陣、圓形陣和球星陣。它們被廣泛應用與軍事和工業領域，此外，在視頻會議、視頻監控、故障診斷、聲控機器人等民用項目中也風靡開來。

基于聲傳感器陣列的定位技術大體上分為三類：（1）基于可控波束形成的定位技術；（2）基于子空間的定位技術；（3）基于到達時延估計的定位技術[2]。本文采用基于時延估計的定位技術，與其他定位技術相比，它計算量小，有利于實時快速處理。為盡可能地降低室內混響和噪聲的影響，提高聲源定位系統精度，提出一種改進的廣義互相關（GCC）時延估計算法，在元GCC算法基礎上，加入了加窗分幀與靜音檢測（VAD）判斷法，彌補了原算法針對室內回響混響干擾的不足。在定位陣列上，文中選擇具有陣列冗余、分維特性小的平面五元十字陣，以達到測量誤差最小的目的[3]。仿真結果表明設計的聲陣列定位成像系統行之有效。

1　時延估計算法

時延估計（Time-delay estimation, TDE）即時間延時估計，就是利用聲傳感器陣列接受目標聲源信號，不同位置位置傳感器接受到的聲源信號所需要的時間不同，然后根據這個時間差值來確定目標信號的空間位置[4]。

對于TDE算法，其中廣義互相關（GCC）算法應用最為廣泛[5]。通過求兩信號之間的互功率譜，并在頻域內給予接受信號一定的加權，來抑制噪聲和反射的影響，再將加權后信號反變換到時域得到兩信號之間的互相關函。其峰值位置即為兩信號之間的相對時延。

以兩個拾音器為例，設 X1（n），X1（n）, 分別是拾音器到信號源之間的數字信號波形,分別為：

式中，V1（n），V2（n）表示通道噪聲，假設為高斯白噪聲。

拾音信號間的廣義互相關函數為：

圖1　時延估計流程

2　五元十字陣

在各種陣型定位方式中，五元十字陣有利于室內布陣，對三維空間的目標定位精度高。平面五元十字陣的定位原理如圖2所示。

圖2　平面五元十字陣原理圖

經過處理化簡最后可得：

3　時延估計算法的改進

對于室內混響模型的建立，我們針對性對其設計了一種改進的廣義互相關時延估計（GCC）算法，以盡可能地消除降低室內混響和噪聲的影響，提高聲源定位系統精度。改進后的廣義互相關時延估計算法框圖如圖3所示：

圖3　改進算法框圖

假設兩傳聲器信號經過帶通濾波處理和幅值標準化，A/D 數模轉換后分別為x1（n），x2（n），加窗選擇漢明窗，采樣點為512，重疊1/2，選擇半重疊漢明窗的好處是可以使互相關函數的峰值更加尖銳，語音信號互功率譜估計的精度也就得以提高。

4　系統設計

4.1傳感器

該系統的硬件包括一個含4個高保真監聽拾音器組成的平面十字傳聲器陣列。

4.2數據采集卡

數據采集卡采用北京啟創莫非電子科技公司的MPS-010602，它是基于USB總線。該數據采集卡提供了采用C,C++，LabVIEW等多種編程語言編寫的庫函數，方便使用者編寫調用。

4.3信號調理

為了將信號調整到A/D轉換器的輸入范圍，以便充分利用A/D轉換器的滿量程分辨率，這里對由高通濾波器輸出的信號進行再次放大。主要放大器電路如圖4所示。

圖4　信號調理電路

4.4軟件設計

近幾年流行的LabVIEW是一種圖形化編程方式，LabVIEW實現界面簡便，但對算法的支持非常有限；Matlab具有強大的科學計算功能、大量穩定可靠的算法庫，但界面開發能力較差。基于以上原因，利用混合編程技術在LabVIEW中調用和操作Matlab，就可以相互補充，充分發揮兩者的優勢。系統組成如圖5所示。

圖5　系統軟件組成

采用LabVIEW實現主控程序界面如圖6所示。

圖6　主控程序界面

5　實驗仿真及結論

對于平面十字陣進行實際實驗操作，通過傳感器采集信號，并在系統中對所采集的信號進行處理。用多路傳感器進行采集，采集的信號及處理結果如圖7所示。

圖7　輸入信號時域波形

時延估計值對應圖中相關函數峰值的位置，采樣率由于受到了限制，時延估計的大小只能取到199Ts，這種情況滿足不了實驗要求，為了提高時延估計精度，采用插值法和時域相關法，進行時延估計處理采集到的實驗信號。

圖8　改進的廣義互相關時延估計

將所得時延值代入編寫好的對聲源點的計算的LabVIEW中的Matlab窗口程序中，我們選擇陣形大小L=0.705m，將陣形用于室內聲源目標定位，聲速取C=340m/s。圖9是平面五元十字陣的定位仿真。

圖9　五元十字陣定位結果

仿真結果表明設計的系統可行，能夠達到比較高的定位精度，定位誤差小，能滿足精確被動聲定位的要求。本文的研究對室內低空目標的定位跟蹤和識別均有重要的研究參考價值和工程應用前景。

參考文獻：

[1]陳華偉.低空目標聲測無源定向理論與算法研究[D].西安：西北工業大學，2004.

[2]張偉.基于傳聲器陣列的被動聲定位研究[D].南京：南京理工大學,2006.

[3]張莉.基于傳聲器陣列的聲源定位方法研究[D].成都：電子科技大學圖書館,2007.

[4]孫韶杰，孫紹俊，一種改進的聲測定位時延估計算法[J].計算機應用，2006（11）：2696-2698；

[5]Bian X, Rehg J, Abowd G.Sound Source Localization in Domestic Environment.in：Pervasive Computing：Third International Conference.2004.19-36.

[6]Allen J, Berkley D.Image method for efficiently simulating small-room acoustics.J.Acoust.Soc.Am.1979（04）：943-950.

[7]周浩洋.基于麥克風陣列的聲源定位方法研究[D].大連：大連理大學,2007.