[發(fā)明專利]一種低成本低功耗的聲源定向方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610001396.0
• 申請日: 2016-01-05
• 公開（公告）號: CN105445697B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳建峰;閆青麗;徐珂;戚茜;楊臨軒;祁文濤
• 申請（專利權(quán)）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(biāo)事務(wù)所有限公司61114
• 代理人: 黃秦芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于聲學(xué)信號處理領(lǐng)域，尤其是涉及一種低成本低功耗的聲源定向方法，該方法利用低成本硬件平臺實現(xiàn)較高精度和可靠性的聲源定向算法。

背景技術(shù)

所謂聲源定向是指通過多個麥克風(fēng)組成一個陣列，采集聲音信號，利用信號處理技術(shù)對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最終得到聲源相對陣列參考方向的夾角。

麥克風(fēng)陣列定向技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。例如，視頻會議系統(tǒng)、公共場所異常聲源定位、機(jī)器人定位、銀行安全監(jiān)控、基于聲音的跟蹤攝像系統(tǒng)、助聽器聲源定位、機(jī)械故障檢測、噪聲源定位等等。

隨著微處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，嵌入式芯片越來越趨向于多樣化和微型化。然而，由于定向算法的復(fù)雜性，目前聲源定向的硬件實現(xiàn)大部分都基于高性能的DSP芯片，成本較高、功耗較高，使得聲源定向系統(tǒng)的成本與目前日益廉價的視頻監(jiān)控系統(tǒng)難以匹配使用。例如，一臺普通的攝像頭僅需數(shù)百元，而一套4通道的麥克風(fēng)陣列定向系統(tǒng)則動輒數(shù)千元，甚至上萬元。因此，通過對復(fù)雜的陣列信號處理方法進(jìn)行適應(yīng)性改造和工程化，研究其在低端單片機(jī)上的實現(xiàn)方法途徑，以期達(dá)到較高精度的聲源定向效果，具有重要的實際意義。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種低成本低功耗的聲源定向方法，解決傳統(tǒng)聲源定向方法硬件成本高、功耗大、測量精度不高的技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種低成本低功耗的聲源定向方法，所述聲源定向方法的硬件系統(tǒng)包括一個單片機(jī)、多個麥克風(fēng)、多個運(yùn)算放大器和一個通信接口芯片；各個麥克風(fēng)分別通過運(yùn)算放大器與單片機(jī)的AD接口連接，單片機(jī)通過通信接口芯片與計算機(jī)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(fēng)進(jìn)行一致性篩選；

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

步驟三：將計算結(jié)果輸出至通信端口。

所述步驟一中對多個麥克風(fēng)進(jìn)行一致性篩選，其具體方法如下：將一個揚(yáng)聲器、一個功率放大器、一個數(shù)據(jù)采集卡、一個麥克風(fēng)放大濾波器依次連接，放置于密閉隔音環(huán)境中；將多個待篩選的麥克風(fēng)逐個設(shè)置在麥克風(fēng)固定柱上并與麥克風(fēng)放大濾波器連接測試，待篩選麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器正對設(shè)置；數(shù)據(jù)采集卡外接計算機(jī)；

揚(yáng)聲器發(fā)出固定的寬帶聲音信號，M個待篩選麥克風(fēng)在同一個條件下分別錄制M次，待篩選麥克風(fēng)將接收到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大濾波器后計為x₁(t)、x₂(t)、……、x_M(t)，電信號由數(shù)據(jù)采集卡通過計算機(jī)采集；各待測麥克風(fēng)經(jīng)信號采集后，M路信號每2路進(jìn)行配對互相關(guān)系數(shù)計算，當(dāng)某兩個待篩選麥克風(fēng)信號的互相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定門限時，這兩個待篩選麥克風(fēng)的一致性滿足篩選要求。

所述步驟二中采用到達(dá)時間差的聲源定向方法對聲源進(jìn)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(shè)定檢測門限，當(dāng)信號強(qiáng)度超過檢測門限時，則判定有目標(biāo)信號存在，開始進(jìn)行信號采集與數(shù)據(jù)處理，否則繼續(xù)采集與判斷；

上述確定檢測門限的方法如下：

將AD轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)從0到最大值A(chǔ)D_Max分為N個等分，稱為N個段；準(zhǔn)備一個數(shù)組E，長度為N；這個數(shù)組依次存放數(shù)據(jù)采集中落入各段的數(shù)據(jù)的個數(shù)；其中數(shù)組下標(biāo)0對應(yīng)的是最小的段，N對應(yīng)最大的段；

對每一路麥克風(fēng)信號，進(jìn)行如下運(yùn)算：每采集到一個數(shù)據(jù)，便判斷該數(shù)值處于哪個段，然后令該段對應(yīng)的數(shù)組中的元素加１；依此類推，直至用于計算檢測門限的數(shù)據(jù)個數(shù)L采集完成；

從數(shù)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(shù)值的下標(biāo)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(guān)時延估計算法對對角線上相互垂直的兩對麥克風(fēng)對的輸出進(jìn)行時延估計：

設(shè)聲速c，采樣頻率為fs，麥克風(fēng)間距d，幀長為K；

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