[發明專利]面向聲源測向的微型智能陣列式聲傳感器及其測向方法

有效

• 申請號: 201811566283.0
• 申請日: 2018-12-21
• 公開（公告）號: CN109856593B
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 趙兆;李江欣;許志勇
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 馬魯晉

1.面向聲源測向的微型智能陣列式聲傳感器，其特征在于，包括電源模塊以及依次相連的信號采集模塊、信號處理模塊、無線通信模塊；

所述信號采集模塊，包括依次相連的微機電系統麥克風陣列、信號調理電路、A/D轉換電路，用于采集待測向聲音信號；

所述信號處理模塊，包括依次相連的高性能微處理器、存儲電路，用于對采集到的聲音信號進行聲源測向；

所述無線通信模塊，包括依次相連的通信接口電路、射頻電路、微帶天線，用于將信號處理模塊獲得的測向結果輸出；

所述電源模塊，包括依次相連的電池、電源電路，用于為所述信號采集模塊、信號處理模塊、無線通信模塊供電；

該微型智能陣列式聲傳感器整體為矩形空心腔體，所述腔體上表面上設置四個透聲孔，該四個透聲孔均勻分布，且兩兩之間關于所述上表面中心對稱；每個透聲孔所在位置的腔體內側設置一個麥克風，四個麥克風構成麥克風陣列；所述電源模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、無線通信模塊均設置于矩形空心腔體內，腔體的其中一個側面上設置電源開關；

基于面向聲源測向的微型智能陣列式聲傳感器的測向方法，包括以下步驟：

步驟1、對所述信號采集模塊采集的信號進行分幀處理，之后通過短時傅里葉變換將分幀后的信號轉換到頻域；

步驟2、針對步驟1中的頻域信號，在目標頻域范圍內等間隔選取多個離散頻率點，針對各個離散頻率點分別計算二維平面各個預設方位角波束響應；所述預設方位角的數目為n，預設方位角的間隔為360°/n；具體為：

步驟2-1、針對各個離散頻率點，求取四個麥克風輸出信號的平均值，獲得單極子波束響應具體為：

對麥克風陣列的四個麥克風編號，以處于第二象限的麥克風為起點，順時針依次編號為1、2、3、4，設相鄰陣元之間的距離為d；假設期望信號是平面諧波，以麥克風陣列中心為參考點，第i個麥克風輸出信號頻域某離散頻率點的復數形式表示為：

其中，S表示信號幅值，t表示時間，分別表示第i個麥克風的橫坐標、縱坐標取值，ψ表示聲源方位角，θ表示聲源俯仰角，ω表示聲源信號角頻率，c表示聲速，

將式(2)代入式(1)，可得

其中，

當Ω＜＜1，利用當x取值很小時cos(x)≈1的性質，可得

步驟2-2、針對各個離散頻率點，分別計算處于對角線上的兩對麥克風輸出信號的差值，分別獲得方位角為-π/4、π/4的偶極子波束響應，之后對兩個偶極子波束響應進行加權求和，通過調整權值獲取所有預設方位角的偶極子波束響應；具體為：

由2號麥克風與4號麥克風輸出信號的差值獲得方位角為π/4方向的偶極子波束響應，表示為：

將式(6)代入式(1)，可得

同理，由3號麥克風與1號麥克風輸出信號的差值獲得方位角為-π/4方向的偶極子波束響應，表示為：

將式(8)代入式(1)，可得

求取方位角為π/4方向的偶極子波束響應與方位角為-π/4方向的偶極子波束響應的加權和

式中，分別表示方位角為-π/4、π/4的偶極子波束響應，表示預設方位角為ψ_s的偶極子波束響應，ψ表示聲源方位角，θ表示聲源俯仰角；調節ψ_s控制的權值可得到二維平面任意指向的偶極子波束響應；

當Ω＜＜1，利用當x取值很小時sinx≈x的性質，可得

對式(11)歸一化得到：

步驟2-3、分別求取單極子波束響應與每個偶極子波束響應的加權和，獲得多個心型波束響應，所述心型波束主瓣方位角為ψ_s；其中，加權系數大于0且和為1，通過調整權值增大主旁瓣比直至滿足實際需求；其中單極子波束響應與某一預設方位角的偶極子波束響應加權求和獲得該方位角的一階心型波束響應為：

步驟3、從所述多個離散頻率點中篩選出有效目標頻率點，確定目標幀；

步驟4、針對各目標幀，分別對目標幀中各個有效目標頻率點，選定幅度響應值最大和次大的兩個波束，采用比幅測角法獲得各有效目標頻率點對應的預估方位角；

步驟5、分別對各目標幀中的所有有效目標頻率點的預估方位角進行融合處理，獲得各目標幀的聲源方位角；對某一時間段內所有目標幀對應的聲源方位角進行統計獲得該時間段內的聲源測向結果。