基于麦克风阵列的室内无线定位系统的研究开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告学生姓名朱定定专业通信工程学号0905070328毕业设计（论文）题目基于麦克风阵列的室内无线定位系统的研究一 选题的意义在各种电子设备高度智能化的今天，语音增强与声源定位技术成为语音通信领域中两种不可缺少的技术。例如，在视频会议中，通过声源定位技术控制摄像头，使其自动转向感兴趣的说话人方向；对于高速行驶的车辆，为避免驾驶员用手去接听电话，车载免提电话应运而生1。然而，当车中坐有多个说话人时，语音识别系统就无法辨别实际命令的来源，此时就需要一种定位系统来提取驾驶员方位的语音，进而对其命令作出响应；助听器的出现为有听觉障碍的残疾人提供了帮助，基于阵列的语音增强技术利用声源的位置信息进行空间滤波，可以进一步抑制除说话人以外的其他方向的噪声，使得助听器话音更加清晰。声源的定位在各个领域都有着广泛的应用，尤其是利用传声器阵列的方法，在电话会议、视频会议、可视电话等系统中控制摄像头和传声器阵列波束方向对准正在说话的人，发挥了强大的功能。早在20 世纪七八十年代，声源定位系统就开始被广泛地研究。用于声源定位的传声器阵列具有很强的空间选择性，不需要移动传声器就可以获得移动目标的声音信号，并且能够在一定范围内实现声源的自适应检测、定位及跟踪。这种声源定位技术主要可以分成3 类:第一类是基于最大输出功率的可控波束形成技术，当传声器阵列探测到信号时，对各路信号进行加权求和形成波束，直到得到具有最大输出功率的波束为止；第二类是高分辨率谱估计技术，这类技术需要利用传声器阵列所获取的信号计算空间谱的相关矩阵，运算量大，定位不准确，在实际操作过程中很少采用；第三类是基于声达时间差(time difference of arrival , TDOA) 的定位技术，利用到达阵列上各传声器的声音信号间的时间差未定位声源，这类技术计算量小，比较适用于实时处理，在实际应用中占有很大的比重。二. 简述选题在该领域的水平和发展动态2.1 研究历史和现状近年来，传感器和探测技术、微电子技术、信号处理技术以及人工智能技术的飞速发展，均为声探测技术用于直升机等军事目标的定位、跟踪和识别幵辟了新的应用前景，使声探测技术成为一种重要的军事侦察手段和防空作战中反电子干扰和反低空突防的一种有效途径。声探测技术就是利用直升机飞行及坦克行进时的噪声和振动信号，实现对目标的自动探测、跟踪和识别。美英等国研制的声智能雷弹系统，就是采用了这一思想来对付超低空飞行的直升机。采用声复合引信的反直升机、反坦克智能雷弹系统具有独立自主的作战能力。单枚雷弹的杀伤半径将超过100km，与普通雷弹系统相比，极大地提高了武器系统的有效性，如法国的MAZAC反坦克雷弹，单枚雷弹的效能相当于60枚普通地雷的综合效能3。因此，智能雷弹系统在构成雷场时所需的弹药数量最少，可以最大限度地减轻战时与和平时期的后勤保障负担，具有显著的作战效益和经济效益。发展这种系统的关键在于，研制一种声或声复合引信，而声阵的布设方法及目标定位、跟踪方法的研究是声引信的核心。和平与发展是当今世界的两大主题，但世界并不太平，一些局部战争不断发生。历史遗留下来的边界和领土争端、南海诸岛的主权争议以及台湾问题等都对我国构成了不安定的因素。一些主要的邻国装备了相当数量性能优良的武装直升机和坦克，并在不断提高其武器装备的现代化水平，已对我国的国家安全构成了潜在的威胁。研究声源定位技术，加强我军反直升机、反坦克武器系统的装备水平，对我国的国防现代化建设具有重要意义。2.2 发展趋势声源定位技术是利用声学与电子装置接收目标声场信息以确定目标声源位置的一种技术，能够用于探测武装直升机、坦克、火炮等军事目标的位置，是一种重要的军事侦察手段。其方法可分为被动定位系统和主动定位系统两大类。被动声定位系统属于辐射源无源定位，它具有作用距离远，隐蔽性好等优点。主动声定位系统容易暴露自己，被对方发现，影响系统自身的安全。进行利用声探测技术进行目标识别、跟踪和定位最早见于声呐，由于电磁波在海水中的传播衰减很大，作用距离受到限制，因此，声波被广泛用于水下目标的探测。地面声测产生于第一次世界大战。地面声测侦察在炮兵作战中曾立下汗马功劳，用于确定堑壕战中敌人武器的方位。据统计，在第二次世界大战和朝鲜战争中有75%的火炮侦察任务是利用声测手段完成的。随着雷达、红外、激 光侦察技术的兴起，声测技术曾一度受到冷落。近年来，由于雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术这四大威胁，越来越容易遭受攻击，因此，人们又开始重视被动式声探测系统，重新激起对声探测技术的兴趣4。三. 设计（论文）所要设计、研究的内容及可行性论证本文的研究内容是学习声学理论基础知识和被动声定位的原理，参与设计基于多麦克风的声源定位系统，在此基础上研究四元阵列、五元阵列以及多元阵的定位算法，分别对定位精度进行分析，采用matlab进行仿真，并指出影响定位精度的因素。四. 主要关键技术、工艺参数和理论依据1.声学理论基础知识空气的物理特性当声波在空气媒质中传播时，空气的物理特性，如密度、温度、压强、比热 和粘滞性系数等，会直接影响到声波的物理特性。(1) 空气的密度空气密度可根据表达式（2.1）来计算 (2.1)式中 T绝对温度（K）； P大气压强（Pa）；(2) 声速对于理想气体而言，声波的传播速度可表示为 (2.2)式中 气体摩尔质量 比热比对空气来说，=1.402，=29千克/摩尔；R为气体常数，可表示为R=8.31焦耳/(开尔文摩尔)；因此，对于空气介质来说，声波在其中的传播速度可表示为： 或 (2.3)其中t表示摄氏温度（）。在常温下，空气中的声速大约为：340m/s。2 声波的物理特性当外力对介质的某一部分产生初始扰动时，这种扰动就将由一个质点传播到另一个质点，交替形成密层和疏层；如此继续传播下去，就形成了波。当这种扰动表现为弹性变形时，就视其为以弹性波的形式传播信息。声音本质上是物体的机械振动对气体介质的一种扰动，这种扰动使气体介质的压强，以及密度、温度和速度等发生周期性的变化，忽强忽弱，疏密相间。这 种周期性的变化在各向同性的介质中，是借助介质的弹性向四面八方传播。由于声波的频率范围较广，从Hz到1012Hz，因此当那种周期性变化的频率在声频 范围2092201012内时，就将其称为是声音或声波：变化频率低于声频范围的弹性波被称为次声波；而变化频率髙于声频范围的弹性波则称为超声波。在声波探测技术中,习惯上将声波和超声波统称为声波。声波不仅可以在气体媒质中传播，同时也可以在液体和固体中传播。当其在空气中传播时，只能发生压缩和膨胀，即空气质点的运动方向与波的传播方向一致，因此在空气中的传播的声波属于纵波。衡量声波的物理量主要有两个方面：一方面是声音强度的度量，即反应声的大小；另一方面是声频的高低度量。具体体现在：声压、声强、声功率以及声能密度等。(1) 声压声波对传播媒质作用时，使媒质质点受到挤压而产生压力变化，并发生周期性的压缩和膨胀，从而引起媒质中压强的变化。在空气中，由于声波扰动的影响,使空气压强发生起伏变化，而出现压强增量，该压强增量就称为声压，单位为帕 (Pa)。声压是用来表示声音强弱的物理量。通常釆用的声压有瞬时声压、峰值声压和有效声压。瞬时声压是指媒质中某点瞬时压强和静压强的差值；某一时刻内最大的瞬时声压称为峰值声压；当瞬时声压对时间取方均根值时就称为有效声压。 通常所说的声压都是指有效声压。声压一般是时间和空间的函数，即： P=P(x,y,z,t) (2.4) P(t,x)= (2.5)式中 圆频率，= ； 波数，； 声压幅值；此声场是一个波阵面为平面，沿正x方向以速度传播的平面行波。(2) 声强和声功率声强是指在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能；其单位为：；而且声强越大，说明声音越强。在平面波自由声场中，声波仅来自声源方向，此时的声强可表示为： (2.6)式中 有效声压； 空气密度； 空气中声波传播速度，即声速；在扩散声场中，声强可表示为： (2.7)通过上式，可知某点的声强和该点的声压平方成正比。其中：和的乘积也被称做是媒质的特性阻抗；对空气来说，20时的特性阻抗为：407瑞利（Pas/m）。声功率，是声源声输出的一种基本度量，也是声源本身的一种基本物理特性；它是指声源在单位时间内辐射出的总的声能量，单位为：W； 在自由声场中，声源中声功率与声强有如下关系： (2.8)式中 离开声源的距离； 声源辐射的声功率；(3) 声能密度声能密度是指在传播媒质中，媒质单位体积内所包含的声能。在平面波声场中，声能密度可表示为: (2.9)式中 有效声压； 空气度； 空气中声波传播速度，即声速；(4) 声学量的级在声学中，直接使用声压、声强和声功率是极不方便的，为此，引入了 “级” 的概念，来表示声音的强弱。声学量的级就是指某个声学量与其同类基准值之比的对数。基准值是用来规定声学量级中的零分贝值。级的类别用名称表示有声压级、声强级和声功率级等7。通常所使用的级的单位是分贝，符号表示为dB。 声压级的数学表达式为： (2.10)声强级的数学表达式为： (2.11)声功率级的数学表达式为： (2.12)上述表达式中、分别表示基准声压、基准声强和基准声功率，其中和的值分别为： 和；2.3 声波在空气中的传播特性声波在空气中传播时，其形状可根据波阵面的形状来划分，主要有平面波和球面波。波阵面为平面的波称为平面波，并且此波阵面具有与声传播方向的垂直平面相平行的特征；在不考虑介质吸收波能量的情况下，即在理想媒质中，声压不随着声源距离的变化而变化，即此时的声压为恒量。球面波则是波阵面为同心球面的声波；球面波在介质中传播时，球面波的声强与距声源距离的平方成反比，也就是说声压与传播距离成反比；在理想媒质中，声压与球面声波的半径成反比。声波在媒质中传播时，其振幅随传播距离的增大而减小的现象，就称为声波的衰减。声波在空气中传播时，声波的传播方向会由于大气温度梯度和传播速度梯度的存在而发生变化，同时大气的扰动会导致声波发生崎变，以及空气的粘滞性造成声能的吸收等，这些都造成了声波在空气中传播时发生衰减，此衰减与空气的温度、湿度和声波的频率等有关8。除这些原因外，声波在传播媒质中的悬浮粒子上发生的散射，也是形成衰减的重要原因。对于声波衰减现象可用数学表达式表示为：当声波传播一段较小的距离办后，振幅的减小量与原来的振幅成正比，也与这段距离成正比，即 (2.13)当x=0时，因此有 (2.14)式中 媒质对声波的衰减系数，由两部分组成，即吸收衰减系数和散射衰减系数；其单位为：奈培.米-1在均匀介质中，对于被动声设备其接收点信号强度的衰减可表示为： (2.15)式中 、分别为接收点和发射点的信号强度；收发间距（或是带有接收换能器的声源装置与目标间的距离）；吸收系数； 由于介质往往是不均匀的，因此对上式进行修正： (2.16)式中 空间衰减系数；异常值，即：在相同距离上，不均匀介质中信号强度与均匀介质中的信号强度之比；其不是距离的单调函数；2.4 声源定位原理声源定位技术是利用声学与电子装置接收目标声场信息以确定目标声源位置的一种技术。被动声目标定位就是指传声器工作在被动状态方式下，利用目标发射出的噪声信号对目标位置进行估测。如何布设性能优良、结构简单合理的传声器阵列是被动声目标定位和跟踪系统中的关键技术之一；通常传声器阵列布设的结构可以分为线型阵列、平面阵列和立体阵列等。对线型阵列来说，它只能对以阵列所在直线为界的半个平面进行目标定位，确定目标的二维参量，否则无唯一解；并且当目标位于线型阵列的端射方向时，线型阵列将失去测距的能力；平面阵列不仅可以对整个平面进行目标定位，同时也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位，确定目标的三维参量；立体阵列则可以对整个空间进行定位，但其定位算 法比较复杂。被动声目标定位算法按照测量依据来分主要有两种:一种是基于时延估计(信号到达不同传声器间的时间差)的目标参数估计测量法，而另一种则是基于瞬时频率估计的参数估计测量方法9；由于前者具有较高的测向、测距精度，并有较强的抗干扰性能，是目前被动声测系统中广泛釆用的方法。若按照传声器阵列的排布方式，有直线定位法、平面三角定位法、平面圆形定位法、平面正方形定位法和球面三角形定位法等。五. 设计（论文）的研究特色和创新之处本文针对目前国内外研究现状，对基于多麦克风阵列声源定位进行了研究。在设计研究中，主要就两种十字阵(四元十字阵和五元十字阵)的声源定位的时延估计和定位算法进行了较为深入的研究，推导了两种十字阵的目标定位方程，并系统地分析了定位误差产生的因素以及定位误差公式的推导，同时对其进行了详细的定位精度分析。在此基础上，利用最小二乘法分析了多元麦克风阵列的声源定位方程，并用实际数据对上述算法及麦克风阵列声源定位精度进行了matlab仿真。从本设计的研究工作中可以得出如下结论:（1）时延估计算法及最小二乘法是分析麦克风声源定位的关键。（2）讨论了四元十字阵和五元十字阵的定位模型，推导了两种十字阵的目标定位方程，并对方位角、俯仰角、目标距离精度进行了详细的分析仿真对比。结果显示五元基阵相对来说比四元基阵能更精确的定位。（3）在阵形设计方面，推导出四元十字阵在直角坐标系下的定位精确公式和近似公式，将目标位置计算转化为时延估计。本文采用利用Matlab函数仿真软件，对影响定位精度的主要因素进行了研究，这方法可广泛应用到其他阵形研究上。（4）由多元阵列定位可以看出，非规则阵列定位模型具有全空间域定位能力，可以避免实际声测系统因更换阵形而带来的算法变化，为声学定位系统的研制提供了参考。在实际的声阵列定位系统设计过程中，应根据目标声源的位置特征设计传感器的阵列模型，使声源位于传感器阵列的内部或远离传感器来实现声源位置高精度定位。六参考文献1 徐小哲.小尺度基阵空气声被动定向D.西北工业大学硕士学位论文,2005.2 肖亮，韩炎.基于多阵元基阵的超短基线声定位方法J.弹箭与制导学报，2006, 26(4): 263-265.3 陈华伟，赵俊渭等.两种声学阵列的定向精度分析与仿真J.声学与电子工程,2001,22 (3) : 6-11.4 刘小刚.基于四元十字阵的声被动定位研究D.南京理工大学硕士论文，2005.5 陈华伟.低空目标声测被动定向技术研究D.西北工业大学硕士学位论文,2002.6 李品，陈