基于時間測量的聲源定位裝置研究與實現

白玲

摘要：隨著定位技術在軍事和民事中的應用越來越廣泛，聲源定位也成為熱門的研究內容之一。根據到達時間差的定位方法，研究并自主設計了一套聲音定位裝置。整個裝置劃分為三個模塊，第一個是接收單元，采用超聲波傳感器，并對收到的信號進行放大濾波等處理；第二個是邏輯、計時及顯示單元，確定基站并啟動計數器計數，該單元主要由搶時電路和計時電路組成；第三個是上位機主控單元，與單片機進行通信以及實現基于TDOA定位算法。定位算法采用基于TDOA的Chan算法，Chan算法采用最小二乘法進行計算，在TDOA測量誤差比較小時具有計算量小，精確性高的優(yōu)點。實驗結果表明，整套定位裝置的結構簡單，定位精度滿足應用需求。

關鍵詞：聲源定位：計時電路；到達時間差：Chan算法：最小二乘法

1概述

聲源定位技術采用聲音傳感裝置接收聲波，對收到的信號進行轉化、選頻、放大及濾波等一系列處理操作，以實現對聲源進行定位的一種技術。聲源定位技術很早就被應用在了軍事中，例如在第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭中，75%的戰(zhàn)場火炮偵察任務是依靠聲測手段完成的，國外一些國家也自主設計并生產出了相關產品，例如瑞典Swetron公司的Helisearch直升機聲測系統(tǒng)、以色列研制的AEWS聲測預警系統(tǒng)等。在民用領域，視頻會議中根據發(fā)言人的方向轉換攝像頭，還有助聽器、智能機器人等。

聲源定位技術有3類基本方法：（1）波束形成法；（2）高分辨定向法；（3）時延估計法。波束形成法雖然計算量相對較小，但是精度較低；高分辨定向法雖然定位精度高，但是計算量很大，效率低；時延估計法是一種被動定位技術，也被稱為基于到達時間差（TDOA）技術，這種算法計算量適中、精度較高、實時性也較高，所以本文采用TDOA方法進行定位計算。

TDOA方法是一種雙曲線定位法，利用聲音信號到達各/卜接收站的距離來確定信號的位置。TDOA方法是一種基于到=達時間差的技術，由于絕對時間一般比較難測量，所以TDOA算法是通過計算聲音信號到達各個接收站的時間差，作出以接收站為焦點，距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是聲音信號源的位置。TDOA方法的示意圖如圖1所示。

2硬件設計

本裝置采用4個接收站，目標聲源發(fā)出聲音信號后，由接收站接受信號，并對信號進行相應的處理；信號進入搶時電路啟動計數器計數并確定基站；將計數器數據與實時溫度數據發(fā)送至上位機進行定位計算，并將結果顯示出來，整體流程圖如圖2所示。

2.1接收單元

整個裝置含有4個接收單元，接收單元采用超聲波傳感器，首先對收到的聲音信號進行放大濾波，達到選頻放大去除噪聲的目的。接收單元使用NE5532芯片將通過MIC接收到的聲音信號進行放大處理，并經帶通濾波電路進行濾波，放大濾波電路圖如圖3所示，放大后的信號再經LM211D芯片組成的門限電路，門限電路原理圖如圖4所示，處理后的聲音信號輸入至下個單元。

2.2邏輯控制、計時單元及顯示單元

本單元由搶時電路和計時電路組成。由最先收到聲音的接收單元的接收時刻作為其他計時單元的計時啟動信號，其他計時單元收到的聲音時刻作為該單元停止計時信號。所有計時單元都收到聲音信號后停止計時，同時向單片機單元發(fā)出計時結束的信號。單片機根據計時數據計算并確定聲源的位置，計算結果送到顯示模塊顯示，同時向上位機發(fā)送結果。單片機通信采用RS485和無線兩種方式，單片機隨時測量環(huán)境溫度，以便對測量數據進行溫度補償。

邏輯計數芯片采用美國Lattice公司生產的可編程超高速高密度CPLD邏輯芯片LC4128V。該芯片的主要功能如下：最先接收到聲音信號的接收板發(fā)出COME信號，LC4128V接收到這個信號后將STOPEN信號置1，禁止該接收板對應的計數器計數并啟動其他計數器計數，其他接收板也同樣。所有的計數器計數結束之后發(fā)出DATAYES的信號表示全部計數結束，READEN信號置低開始讀計數器的數據。

2.3上位機主控單元

在上位機主控單元中，在PC機中編寫上位機軟件，編程采用基于TDOA的Chan算法進行目標聲源的定位計算，使用C#與MATLAB聯(lián)合編程。

3軟件設計

基于TDOA的定位方法有很多種，例如：Taylor級數展開算法、Friedlander算法、SI算法、SX（球面相交）算法等都是TDOA定位中的傳統(tǒng)算法。Taylor算法是一種迭代的思想，計算結果精確度高，但是非常依賴于初始值，如果初始值較為精確，才會得到精確的結果；Friedlander算法、SI算法、SX（球面相交）算法有一個共同的缺點就是由于算法自身需要特定的條件或者忽略了一些因素而導致最終結果得到的不是最優(yōu)解，因此本實驗選擇了算法簡單、定位精確度較高的Chan算法。

Chan算法的計算量小，在噪聲符合高斯分布的時候具有很高的精確性；Chan算法是將根據TDOA基本原理而列出的非線性方程組轉化為線性方程組，然后采用最小二乘法進行求解。整個算法的流程圖如圖5所示。

如圖1所示，假設（xi，yi）為接收站i的坐標（x，y）為目標聲源的坐標，Ri為接收站i到目標聲源的距離。通過TDOA的基礎方程可知，接收站i到目標聲源的距離Ri為：

其中，K=X+Y，也就是相應接收站的坐標平方和。由于在接收站中要選擇一個基準站以便與其他接收站計算距離差、列出方程組.在實際實驗中.將選擇由最先收到聲音的接收單

當TDOA測量值的個數大于未知參數的時候，就可以采用二重最小二乘法來進行進一步的計算。該算法的思想是：第一重運算得到一個初始目標聲源位置，再根據這個初始解計算出第二重運算的結果，就是目標聲源的最終位置坐標。由于在本系統(tǒng)中采用4個接收站，所以可以使用該方法來進行后續(xù)的計算，根據先前的已知條件，具體算法如下，首先根據公式（4）聯(lián)立的方程組整理可得：

以上進行的是第一重最小二乘法運算，得到的結果如公式（7）所示，由于在第一重運算的過程中，將Z。的分量看成是相互獨立的，但實際上R1與（x，y）有關，所以為了更加精確的計算，根據這個結果進行第二重運算，求得的結果即為最終坐標值。

4實驗結果與分析

在實際實驗中，單片機將測得的實時溫度值、接收站的位置以及各個接收站與基站到目標聲源的時間差上傳至上位機，上位機將這些數據代入到算法中進行定位計算。對于算法的模擬，假設當前環(huán)境溫度為20攝氏度，設置4個接收站的位置分別是（0，0），（1000，0），（1000，1000）和（0，1000），輸入假定的目標聲源位置（120，230），計算獲得時延值并將此時延帶人到算法中進行計算，算法計算得到的結果如圖6所示。對于模擬實驗中算法的誤差，這里列出一個表格，表中是在之前假設條件的基礎上，利用隨機函數產生十個目標聲源位置，計算出定位結果和誤差，具體內容如表1所示。

5結論與展望

通過研究聲源定位的實現方法，設計并實現了一套基于TDOA的聲源定位裝置。實驗結果顯示該套定位裝置結構簡單，在TDOA測量值比較小的時候具有很高的估計性能。由于相應的該算法的缺點是如果TDOA測量值的誤差較大，算法的性能也會迅速下降，因此之后的研究可以圍繞在如何提高TDOA測量精度方面進行，以保證整套裝置具有更強的適應性與精確度，這也是一個很有價值的研究方向。endprint