[發明專利]一種低成本低功耗的聲源定向方法

有效

• 申請號: 201610001396.0
• 申請日: 2016-01-05
• 公開（公告）號: CN105445697B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 陳建峰;閆青麗;徐珂;戚茜;楊臨軒;祁文濤
• 申請（專利權）人: 西安成峰科技有限公司
• 主分類號: G01S3/80
• 分類號: G01S3/80
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司61114
• 代理人: 黃秦芳

1.一種低成本低功耗的聲源定向方法，其特征在于：

所述聲源定向方法的硬件系統包括一個單片機、多個麥克風、多個運算放大器和一個通信接口芯片；各個麥克風分別通過運算放大器與單片機的AD接口連接，單片機通過通信接口芯片與計算機連接；

所述聲源定位方法的具體步驟如下：

步驟一：對多個麥克風進行一致性篩選；

步驟二：選取四個經過步驟一篩選的麥克風，布置形成十字陣列，將十字陣列對角線上的麥克風兩兩配對，采用到達時間差的聲源定向方法對聲源進行定向；

步驟三：將計算結果輸出至通信端口；

所述步驟一中對多個麥克風進行一致性篩選，其具體方法如下：將一個揚聲器、一個功率放大器、一個數據采集卡、一個麥克風放大濾波器依次連接，放置于密閉隔音環境中；將多個待篩選的麥克風逐個設置在麥克風固定柱上并與麥克風放大濾波器連接測試，待篩選麥克風與揚聲器正對設置；數據采集卡外接計算機；

揚聲器發出固定的寬帶聲音信號，M個待篩選麥克風在同一個條件下分別錄制M次，待篩選麥克風將接收到的聲信號轉化為電信號，經放大濾波器后計為x₁(t)、x₂(t)、……、x_M(t)，電信號由數據采集卡通過計算機采集；各待測麥克風經信號采集后，M路信號每2路進行配對互相關系數計算，當某兩個待篩選麥克風信號的互相關系數大于設定門限時，這兩個待篩選麥克風的一致性滿足篩選要求；

所述步驟二中采用到達時間差的聲源定向方法對聲源進行定向，其具體步驟如下：

步驟1）、確定檢測門限，采用恒虛警的檢測方法設定檢測門限，當信號強度超過檢測門限時，則判定有目標信號存在，開始進行信號采集與數據處理，否則繼續采集與判斷；

上述確定檢測門限的方法如下：

將AD轉化的數據從0到最大值AD_Max分為N個等分，稱為N個段；準備一個數組E，長度為N；這個數組依次存放數據采集中落入各段的數據的個數；其中數組下標0對應的是最小的段，N對應最大的段；

對每一路麥克風信號，進行如下運算：每采集到一個數據，便判斷該數據處于哪個段，然后令該段對應的數組中的元素加1；依此類推，直至用于計算檢測門限的數據個數L采集完成；

從數組的最大端E(N)開始累加，SE = E(N)+E(N-1)+……+E(k)，每加一次，就與L×P的值相比較， P為虛警概率，直至累加和SE大于L×P；此時，記錄數值的下標k；k×AD_MAX/N就是計算出的檢測門限值；

步驟2）、時延估計，利用廣義互相關時延估計算法對對角線上相互垂直的兩對麥克風對的輸出進行時延估計：

設聲速c，采樣頻率為fs，麥克風間距d，幀長為K；

計算最大時延點數n_max=df/c，需要將時延點數-n_max到+n_max之間的結果保存，為此設置一個長度為2n_max+1的數組A，用于存放下面的計算結果；

將陣元1數組中的數據X₁(i)不變，右移陣元3數組X₃(i)中的數據右移0格、1格、……、n_max格，依此運用單片機自有的專用硬件乘法器對錯位后的兩個數組對應的數據進行相乘并求和，存于數組A(n_max+1)~A(2n_max+1)中，再將陣元3數組中的數據左移1格、2格，……，+1格，再進行相乘求和存放于數組A(n_max)~A(1)中；

在數組A中找出最大值對應的下標，所對應的下標值就是估計的時延點數n；

步驟3）、獲得定向結果，待測聲源的定向利用時延估計的結果，基于已知的采樣頻率和陣元間距，運用幾何方法求出聲源的方向，然后，再把兩對麥克風各自所得結果進行融合，形成最終定向結果：若求得時延點數為n，則聲源方向角為θ=acos(nc/(fd))。

2.根據權利要求1所述低成本低功耗的聲源定向方法，其特征在于：

所述步驟2），兩對麥克風的輸出信號出現飽和失真時，在進行廣義互相關時延估計算法前進行如下步驟的數據處理：

步驟①、在AD采集過程中，實時判斷各路數據的大小，如有任何一路數據大于檢測門限，則立刻將目前狀態標記為已經檢測到目標信號的狀態；接著，立刻開始緩存數組，直至一幀數據存滿為止；

步驟②、在存儲數據的過程中，將每個采集到的數據與AD轉換最大值作比較；若出現任意一路數據與單片機AD轉換最大值相同，或此現象在指定時間內出現若干次時，則停止后續AD采集，不足一幀的部分補零。