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基于信号能量修正的声源定位算法研究

刘磊  
【摘要】:声源定位技术最早的出现是用来在军事上定位火炮的发射位置以及弹着点和爆炸点等。但是,随着科技的进步,声源定位技术在民用和军事领域都得到了广泛的应用和快速的发展。在民用领域,它是视频会议、语音识别和智能机器人应用的重要组成部分;在军事领域,它是军事敏感区域侦查、炸点检测、敌占区无线传感器网络目标探测和反恐作战等的主要技术手段。因此,研究快速、通用、精确、鲁棒的声源定位算法,对继续深入研究并实现多种应用系统具有重要的理论和现实意义。 随着科技水平日新月异的提高,工业设计和制造能力日益增长,声源定位技术伴随着人们研究视野的开拓和工艺水平的提高,分别按照仿生学和传声器阵列这两个主线在不断地向前发展。 基于仿生学原理的声源定位技术,因涉及的原理比较复杂,并对设备制造工艺和传感器的性能要求较高,实现起来有诸多的困难,因此,虽然在应用前景上很有诱惑力,但是技术发较为缓慢。 由于基于传声器阵列的声源定位技术的定位原理相对简单,对定位设备的制造工艺要求不是很高,实现起来较为方便,因此成为目前在声源定位时主要应用的手段。 基于传声器阵列的声源定位技术,在原理上主要分为以下三类:一类是基于最大输出功率的可控波束形成方法,一类是基于高分辨率谱估计的方法,一类是基于到达时差(Time Difference of Arrival, TDOA)的方法。 基于最大输出功率的可控波束形成方法和基于高分辨率谱估计的方法,虽然在一些应用环境下的性能比较优越,但是计算量过大,不适用于小型的定位系统;而基于TDOA的定位方法,虽然原理简单、计算量小,但是因为定位精度严重依赖于预设的环境声速,导致定位系统的可移植性不强,并且由于对TDOA的测量精度要求很高,因而在无线传感器网络这种时间同步无法保证的应用中并不十分适用。 一类基于双耳电平差(Inter-aural Level Difference, ILD)的声源定位算法,根据声信号能量传播的逆平方规律,利用麦克风对接收到的同段信号的能量比信息,结合麦克风对的相对位置关系来计算声源的位置,因其定位时不使用系统所处环境的声速信息,并且不要求麦克风之间严格同步,所以系统的可移植性较强,适用的范围更加广泛。但是,这类算法在能量计算的过程中,对噪声没有进行有效地处理,因此,只适用于背景噪声为高斯白噪声的特殊情况,对一般的背景噪声不具有鲁棒性。 针对上述定位算法中出现的问题,本文提出一种基于信号能量修正的噪声鲁棒声源定位算法,首先估计背景噪声参数,然后使用参数估计值对传声器阵列接收到的信号进行能量修正,使用修正后的能量比得到声源与传声器阵列的位置关系。 能量修正算法在定位声源时,摒弃了声速和时延信息,从而提高了系统的可移植性和适应性,同时利用能量修正方法降低了一般噪声对定位精度的影响,理论推导和实验数据验证了算法的有效性和对噪声的鲁棒性。 本文在研究基于能量修正的声源定位算法时所做的另外三项工作为: 一是提出一种基于信号包络分析的并行微弱信号检测算法,克服了已有的微弱信号检测算法只能检测已知特性的周期信号是否存在的通用性不强等缺点; 二是使用“两步信号端点定位法”判断不同路信号中相同信号对应的位置,从而降低了以往使用滑动窗口方法定位信号端点时可能产生的定位误差; 三是对使用传声器阵列定位声源时出现的近场声源定位效果优于远场声源定位效果的现象,从理论的角度做出解释,提出了远、近场声源转换方法,并通过实验进行了验证,从而拓展了基于传声器阵列的定位声源算法的应用范围。


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