考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位系統

許敬成，陳長征

（沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

0 引 言

在水下勘探中，聲波是水下傳播的主要形式，通過聲波可實現水下勘探。目前通過水聲應答器可調節低頻聲源的狀態[1]。低頻聲信號因具有能量和分貝比較低、不易被察覺的特點[2]，增加了其信號采集和聲源定位的難度。低頻聲信號的采集與低頻聲信號聲源定位對于水下探勘工作極其重要，直接影響水下探勘的工作效率[3-4]。夏振杰等人研究光纖麥克風的定位系統[5]，通過布置多臺麥克風采集低頻聲信號，利用激光器頻率調節合適采集頻率，快速實現低頻聲信號聲源定位。該系統信號采集速度快，但硬件設備投資成本較高，經濟適用性不強。余秋婷等人研究空間陣列的定位系統[6]，在采集低頻聲信號后，通過信號相關性計算得出聲程差，完成低頻聲信號聲源定位。但該系統未設置信號處理模塊，采集信號中存在噪聲，直接影響其定位精度。

針對以往方法的局限性，本文提出一種考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位系統。通過MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號，對其進行去噪處理，并傳輸至低頻聲信號聲源定位模塊；采用考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位方法實現對低頻聲信號聲源定位。

1 低頻聲信號聲源定位系統

1.1 系統總體結構

為了實現高精度的低頻聲信號聲源定位，設計了一種考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位系統，該系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構

由圖1 可知，該系統由低頻聲信號采集、傳輸、處理和聲源定位等模塊構成。在采集模塊，通過MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號；再將采集的低頻聲信號傳輸至低頻聲信號傳輸模塊，在該模塊對采集的低頻聲信號實施信號轉換和去噪處理；然后將處理的信號傳輸至聲源定位模塊，采用考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位方法估計低頻復聲壓互譜矩陣，實現對低頻聲信號聲源定位；最后，將定位結果傳輸至應用模塊，查看低頻聲信號聲源定位結果[7]。

1.2 低頻聲信號采集模塊設計

MEMS 聲傳感器是低頻聲信號采集模塊的核心硬件，低頻聲信號采集模塊硬件結構如圖2 所示。

圖2 低頻聲信號采集模塊硬件結構

低頻聲信號采集模塊包括MEMS 聲傳感器、PDM 接口、音頻矩陣、音頻解碼器以及DSP5509 處理器。通過MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號，并將采集的5 路數字低頻聲信號經PDM 接口傳輸至音頻矩陣，經音頻解碼器輸出標準24 bit 的低頻聲信號格式，再通過串口傳輸至DSP5509 處理器，實現低頻聲信號采集。

1.3 低頻聲信號傳輸模塊設計

在低頻聲信號傳輸模塊中，主要依靠ZigBee 技術實現低頻聲信號傳輸。ZigBee 節點硬件架構如圖3 所示。

圖3 ZigBee 節點硬件架構

ZigBee 節點硬件主要包括CC2538 芯片、MAX232、開關量輸入等。其中，CC2538芯片是節點的核心硬件，其有兩種工作模式，在休眠模式下，電流消耗低至0.8 mA，工作頻率為2.4 GHz，開關量輸入通道為2 路，并適合多種類型的傳感器。CC2538 芯片通過RS 232 轉換電路和上位機完成信號傳輸[8-10]。

1.4 低頻聲信號聲源定位模塊設計

設計本文系統的低頻聲信號聲源定位模塊，通過考慮特征向量約束的定位方法估計低頻復聲壓互譜矩陣，實現對低頻聲信號聲源定位。設置低頻聲信號在后干擾下的海水聲速用a(α,β,χ)描述，其中海水深度坐標用β描述；矢量用χ描述；低頻聲傳播水平坐標用α描述。a(α,β,χ)求解公式如下：

式中：δa(α,β,χ)表示聲速擾動量；(β)表示平均聲速。δa(α,β,χ)表達式為：

式中：展開項數用L描述；正交函數用eof(β)描述；特征值用γ1,γ2,…,γL描述；展開基用φ1(α),φ2(α),…,φL(α)描述。設置某頻點空間位置用(α,β)描述，該位置的復聲壓P(α,β,χ)隨機多項式表達式如下：

式中：多項式展開項數用Q描述；常量用i描述；基底函數集用描述；位置坐標展開系數用描述；復聲壓包絡用描述；參考波數用k0描述。

式中：共軛轉置用“*”描述；第m拍低頻復聲壓向量用描述；數學轉換符號用E描述。

式中：特征值矩陣用Λ描述；特征值排列順序為γ1,γ2,…,γD；特征值數量用D描述；特征向量矩陣用H描述，可表示為[h1,h2,…,hD]。

匹配器輸出平面模糊度函數表達式如下：

若低頻聲信號聲源估計位置和低頻聲信號聲源實際位置相等，即，此時值最大，可實現低頻聲信號聲源定位。

2 實驗分析

為驗證考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位系統應用效果，以某海底勘探實驗觀測水文數據作為實驗數據，實驗中因潮水變化引起海水中聲音的聲速發生變化，海水平均聲速變化圖如圖4 所示。

圖4 海水平均聲速變化圖

由圖4 可知，隨著海水深度的增加，聲速均值呈現下降趨勢，在海水深度為800 m 時，聲速均值最小為1 407 m·s-1，此時為低頻聲。

采用所設計系統的MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號，其采集結果界面如圖5 所示。

圖5 低頻聲信號采集界面

由圖5 可知，采用所設計系統的MEMS 聲傳感器可有效采集低頻聲信號，且采樣時間比較快，僅900 ms 就能夠完成低頻聲信號采集。采集的低頻聲信號作為低頻聲信號的聲源定位數據基礎，適合復雜場景中低頻聲信號的采集，應用性較強。

選取輸出峰均比作為測試指標，輸出峰均比低于40 dB，表示系統定位效果較好。在不同信噪比下對該低頻聲信號的聲源進行定位，結果如圖6 所示。

圖6 定位效果

分析圖6 可知，隨著信噪比的增加，所設計系統對低頻聲信號的聲源進行定位的輸出峰均比呈現上升趨勢，并在信噪比為45 dB 以后，輸出峰均比趨于平穩，均低于35 dB，說明采用所設計系統對低頻聲信號的聲源進行定位后效果較好。

在頻率為100～600 Hz 時，對低頻聲信號聲源進行定位測試，得出所設計系統定位方法的X、Y坐標誤差，實際坐標用（x，y）描述，所設計系統定位坐標用（x0，y0）描述，結果如表1 所示。

表1 所設計系統定位方法的X、Y 坐標誤差

分析表1 可知：在頻率為100～300 Hz，所設計系統中考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位方法的定位坐標位置與實際位置坐標誤差存在誤差，但誤差均低于0.17 m；在400～600 Hz 時，所設計系統中定位誤差與低頻聲信號聲源實際位置誤差為0，說明所設計系統考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位方法性能優良，定位精度較高。

在實驗數據集中選擇1 個低頻聲信號，采用所設計系統對該低頻聲信號進行聲源定位，其定位結果如圖7 所示。

圖7 低頻聲信號聲源定位結果

由圖7 可知，所設計系統界面設計簡潔，且功能齊全，采用所設計系統得出的低頻聲信號聲源定位坐標與實際低頻聲信號聲源定位坐標基本一致，說明所設計系統的定位能力較強，用戶可在客戶端查看到低頻聲信號聲源定位坐標為（800，600，500），有利于開展海洋探勘工作。

3 結 論

針對低頻聲信號聲源定位比較復雜的問題，本文提出一種考慮特征向量約束的低頻聲信號聲源定位系統。實驗結果表明：所設計系統可有效采集低頻聲信號，且采樣時間較短，僅在900 ms 就能夠完成低頻聲信號采集，適合復雜場景中低頻聲信號采集，應用性較強。所設計系統還存在一定的缺陷，為了更好地提升低頻聲信號的定位效率，需要在實際應用過程中逐漸升級系統。