基于MATLAB的声源定位系统说明书

基于MATLAB的声源定位系统摘要洗手洗手确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，吃饭将来可以广泛的应用于社会生产、BEEF生活的各个方面。洗手洗手声源定位是通过测量物体发出的声音对物体定位，吃饭与使用声纳、BEEF雷达、BEEF无线通讯的定位方法不同，吃饭前者信源是普通的声音，吃饭是宽带信号，吃饭而后者信源是窄带信号。洗手根据声音信号特点，吃饭人们提出了不同的声源定位算法，吃饭但由于信号质量、BEEF噪声和混响的存在，吃饭使得现有声源定位算法的定位精度较低。洗手此外，吃饭已有的声源定位方法的运算量较大，吃饭难以实时处理。洗手洗手洗手关键词BEEF传声器阵列；BEEF声源定位；BEEFMATLAB洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手目录洗手洗手第一章绪论1洗手洗手洗手第二章声源定位系统的结构2洗手洗手洗手第三章基于到达时间差的声源定位原理3洗手洗手洗手第四章串口通信5洗手洗手洗手第五章实验电路图设计8洗手洗手洗手第六章总结16洗手洗手洗手第七章参考文献17洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手第一章绪论洗手11基于传声器阵列的定位方法简述洗手在无噪声、BEEF无混响的情况下，吃饭距离声源很近的高性能、BEEF高方向性的单传声器可以获得高质量的声源信号。洗手但是，吃饭这要求声源和传声器之间的位置相对固定，吃饭如果声源位置改变，吃饭就必须人为地移动传声器。洗手若声源在传声器的选择方向之外，吃饭则会引入大量的噪声，吃饭导致拾取信号的质量下降。洗手而且，吃饭当传声器距离声源很远，吃饭或者存在一定程度的混响及干扰的情况下，吃饭也会使拾取信号的质量严重下降。洗手为了解决单传声器系统的这些局限性，吃饭人们提出了用传声器阵列进行声音处理的方法。洗手洗手传声器阵列是指由一定的几何结构排列而成的若干个传声器组成的阵列。洗手相对于单个传声器而言具有更多优势，吃饭它能以电子瞄准的方式从所需要的声源方向提供高质量的声音信号，吃饭同时抑制其他的声音和环境噪声，吃饭具有很强的空间选择性，吃饭无须移动传声器就可对声源信号自动监测、BEEF定位和跟踪，吃饭如果算法设计精简得当，吃饭则系统可实现高速的实时跟踪定位。洗手洗手传声器阵列的声音信号处理与传统的阵列信号处理主要有以下几种不同BEEF洗手（1）传统的阵列信号处理技术处理的信号一般为平稳或准平稳信号，吃饭相关函数可以通过时间相关来准确获得，吃饭而传声器阵列要处理的信号通常为短时平稳的声音信号，吃饭用时间平均来求得准确的相关函数比较困难。洗手洗手（2）传统的阵列信号处理一般采用远场模型，吃饭而传声器阵列信号处理要根据不同的情况选择远场模型还是使用近场模型。洗手近场模型和远场模型最主要的区别在于是否考虑传声器阵列各阵元因接收信号幅度衰减的不同所带来的影响，吃饭对于远场模型，吃饭信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比非常小，吃饭可忽略不计，吃饭对于近场模型，吃饭信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比较大，吃饭必须考虑各阵元接收信号的幅度差。洗手洗手（3）在传统的阵列信号处理中，吃饭噪声一般为高斯噪声包括白、BEEF色噪声，吃饭与信源无关，吃饭在传声器阵列信号处理中噪声既有高斯噪声，吃饭也有非高斯噪声，吃饭这些噪声可能和信源无关，吃饭也可能相关。洗手洗手由于上述阵列信号处理间的区别，吃饭给传声器阵列信号处理带来了极大的挑战。洗手声波在传播过程中要发生幅度衰减，吃饭其幅度衰减因子与传播距离成正比，吃饭信源到传声器阵列各阵元的距离是不同的，吃饭因此声波波前到达各阵元时，吃饭幅度也是不同的。洗手洗手另外，吃饭当声音信号在传播时，吃饭由于反射、BEEF衍射等原因，吃饭使到达传声器的声音信号的路径除了直达路径外还存在着多条其它路径，吃饭从而产生接收信号的幅度衰减、BEEF音质变差等不利影响，吃饭这种现象称为混响（REVERBERATION。洗手混响效应的存在产生了很多不利影响，吃饭如所获取的声音质量下降、BEEF声源定位的精度严重降低等。洗手洗手12MATLAB软件的介绍MATLAB是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY）的简称，吃饭它的基本数据单位是矩阵，吃饭用MATLAB解算问题要比用其他语言完成相同的事情简捷得多，吃饭MATLAB的应用范围非常广，吃饭包括信号和图像处理、BEEF通讯、BEEF控制系统设计、BEEF测试和测量、BEEF财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。洗手附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，吃饭以解决这些应用领域内特定类型的问题。洗手本设计是关于平面声源定位的方针与建模，吃饭根据实验要求，吃饭我们使用了MATLAB软件，吃饭在这次设计中我们通过NEURALNETWORKTOOLBOX（神经网络工具箱）来解决声源定位建模与仿真的实验，吃饭计算声源的距离和角度。洗手洗手洗手洗手第二章声源定位系统的结构洗手一个完整的声源定位系统由硬件部分和软件部分构成。洗手具体结构如下所述。洗手洗手硬件结构洗手完整的声源定位系统的硬件结构如图12所示BEEF由一定数目按特定位置摆放的传声器阵列，吃饭信号预处理系统，吃饭同步数据采集系统和数据处理系统组成。洗手洗手洗手图12声源定位系统硬件结构框图洗手在系统工作时，吃饭声音信号经传声器转换为电信号，吃饭然后经信号预处理系统处理后把信号调整到数据采集系统的输入信号电压范围，吃饭再经过采集系统采集后传输到数据处理系统，吃饭由数据处理系统中的软件系统处理后可得出声源的位置。洗手洗手声音信号分析洗手声源体发生振动会引起四周空气振荡，吃饭那种振荡方式就是声波。洗手声波借助空气向四面八方传播。洗手在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐被吹大的肥皂泡，吃饭是一种球形的阵面波。洗手洗手除了空气，吃饭水、BEEF金属、BEEF木头等也都能够传递声波，吃饭它们都是声波的良好介质。洗手在真空状态中声波就不能传播了。洗手声音在不同的介质中的传播速度不同。洗手声音的速度受温度影响，吃饭温度越高，吃饭速度越快。洗手在15时，吃饭声音在空气中的传播速度为340M/S，吃饭25时为346M/S。洗手它和温度的关系可以用以下公式来表示BEEF洗手C33145061TM/S21洗手在使用时，吃饭如果温度变化不大，吃饭则可认为声速是基本不变的。洗手声波传输距离首先和大气的吸收性有关，吃饭其次是温度、BEEF湿度、BEEF气压等。洗手洗手洗手洗手第三章基于到达时间差的声源定位原理洗手人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，吃饭而机器却可以精确的测量声音的相位。洗手由于声波在空气中以一定速度传播，吃饭到达设置于不同位置的传声器的相位不同，吃饭根据这些传声器对同一声音采集时的相位差别，吃饭我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值（又叫时延值）。洗手图21是到达时间差T的示意图。洗手洗手如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时延值，吃饭则这个声源就处于以这对传声器所处的位置为焦点，吃饭到达时延所对应的声音传输距离为参数的双曲面上。洗手使用多对传声器得到多个时延值，吃饭也就得到了多个双曲面，吃饭声源位置就处于这些双曲面的相交点。洗手合适的安排传声器的位置，吃饭可以使得双曲面的交点只有一个，吃饭这点就是我们要的声源位置。洗手大多数声源定位是基于时延的方法，吃饭提高对时延估计的准确程度是这种方法的关键，吃饭而要得到准确的时延估计必须要确保有高效的信号采集能力。洗手洗手洗手图21到达时间差T的示意图洗手传声器阵列几何模型与分析洗手在声源定位的研究过程中，吃饭双传声器只能确定声源在以一定角度为顶角的双曲面上，吃饭不能确定声源的具体位置。洗手所以，吃饭想要探测出声源的位置，吃饭必须摆放两组甚至多组传声器，吃饭从而组成传声器阵列。洗手同时，吃饭定位的准确程度也取决于传声器的数量，吃饭在经过一定位置的摆放后，吃饭传声器的数量越多定位的精度也就越高。洗手图33就是一种由四个传声器组成的典型传声器摆放方法。洗手洗手洗手洗手图33四个传声器的定位摆放示意图洗手可见，吃饭定位系统的成功与否与传声器的摆放有很大关系，吃饭传声器的数量会影响定位的精确程度。洗手洗手几何定位方法洗手本文使用4个传声器组成的传声器阵列来实现声源定位的仿真，吃饭传声器的分布如图33所示。洗手其中，吃饭假定声源S的坐标为（X0，吃饭Y0）,A1和A2摆放在X轴上，吃饭坐标为（A，吃饭0）和（A，吃饭0）；BEEFB1和B2摆放在Y轴上，吃饭坐标为（0，吃饭A）和（0，吃饭A）,声源S到各传声器的距离分别为D1，吃饭D2，吃饭D3，吃饭D4。洗手可见，吃饭4个传声器覆盖了整个平面空间，吃饭等距的分布在原点、BEEFX轴和Y轴上，吃饭这样的布局方式，吃饭一方面严密而一致，吃饭可以充分的接收声源信号；BEEF另一方面呈几何对称关系的各传声器的摆放，吃饭减少了很大部分的运算量，吃饭更高效的实现了对各个量之间的关系求解过程。洗手洗手将四个传声器A1，吃饭A2,B1,B2放置于原点的平面直角坐标系中，吃饭两两分布在X和Y上，吃饭与原点的距离为A，吃饭A可以根据实际需要取值。洗手声源发出的声音信号以不同的时间传达至各传声器，吃饭由于声速C一定，吃饭所以根据传声器阵列所获得的时间差可以计算出声源至各传声器的距离差。洗手将采集得到的数据以数组的形式保存，吃饭继而进行下一步的运算与分析。洗手洗手但是，吃饭由于本文只涉及到用计算机实现定位仿真，吃饭所以必须预先假定声源坐标，吃饭通过对假定坐标的运算得到声源S到各传声器间的距离差，吃饭此距离差将作为“已知的测量值”进行接下来的定位仿真，吃饭其过程举例如下BEEF洗手传声器至原点的间距A20，吃饭声源S坐标X050，吃饭Y0200，吃饭即S（50，吃饭200）。洗手洗手声音信号的处理洗手对声音信号的处理过程分为三个环节，吃饭首先通过几何方法计算声源到各传声器间的距离差，吃饭然后通过已得的距离差对声源位置进行计算，吃饭最后通过MATLAB编程实现声源定位的仿真。洗手洗手洗手第四章串口通信洗手串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。洗手大多数计算机包含两个基于RS232的串口。洗手串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；BEEF很多GPIB兼容的设备也带有RS232口。洗手同时，吃饭串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。洗手洗手单片机将收集到的时间差通过发送数据线TXD和接收数据线RXD发送给PC机。洗手单片机与PC机通过RS232C串行接口实现通信。洗手洗手洗手洗手洗手第五章实验电路图设计洗手洗手当超声波接收器接收到信号时，吃饭输出端输出一个脉冲，吃饭通过四组接收电路产生四个脉冲，吃饭每两个脉冲产生一个时差脉冲。洗手洗手产生的脉冲信号A1和A2通过2个JK触发器，吃饭2个与门和1个或门产生出时差脉冲，吃饭脉冲的脉宽就是声源分别到接收器A1和A2的时间差洗手洗手时差脉冲放大图洗手洗手洗手洗手洗手总原理图洗手产生的2个时差脉冲分别通过单片机外部中断口INT0和INT1输入单片机，吃饭计时器启动工作方式0，吃饭当时差脉冲上升沿时，吃饭计数器启动计数；BEEF当时差脉冲下降沿时，吃饭计数器停止计数。洗手洗手洗手在MATLAB程序编写时，吃饭可以使用CUMSUM函数实现D12的运算。洗手以此类推，吃饭可以得到声源S到各传声器的距离差D23，吃饭D24，吃饭D52，吃饭D13，吃饭D62，吃饭D27。洗手洗手但是，吃饭由于声源发出的声波在传播过程中受到外界环境中噪音、BEEF混音等多方面因素影响，吃饭所以声源到个传声器的实际距离差与计算值之间有一定程度上的偏差。洗手为了解决这个问题，吃饭在D23，吃饭D24，吃饭D52，吃饭D13，吃饭D62，吃饭D27的计算值的基础上加上一个量“B”，吃饭B的值为一个标准差为K的数乘以一百个随机正态分布样本，吃饭可以用RANDN函数实现这一过程。洗手洗手洗手洗手图显示了声源S估计值洗手。洗手洗手第六章总结洗手洗手实现一个可仿真的声源定位系统是本论文的目的。洗手在算法研究比较充分的基础上，吃饭设计系统结构，吃饭实现声源定位。洗手本文对传声器阵列声源定位系统进行了系统的研究，吃饭主要工作如下BEEF洗手（1）介绍了声源定位方法，吃饭总结归纳了基于传声器阵列的定位方法的优缺点。洗手洗手（2）设计并实现了可仿真的声源定位系统。洗手详细介绍了系统结构，吃饭给出了实验结果。洗手洗手本文详细地论述了基于传声器阵列的定位技术。洗手着重介绍了基于时间差的定位方法。洗手讨论了以上定位方法的几何模型、BEEF数据采集、BEEF算法生成和定位仿真。洗手相对而言，吃饭基于时间差的定位方法运算量较大，吃饭但是在时间差估计有一定误差时，吃饭也能比较精确地定位。洗手有关传声器阵列定位技术的研究尽管已经取得了重要进展，吃饭但在理论和应用上还有很多难点需要深入研究解决。洗手首先是传声器的摆放问题。洗手传声器的间距和相对位置可以很大地影响定位的精度。洗手此外，吃饭也可以利用传声器的空间关系来化简定位的几何表达式。洗手由于时间所限，吃饭本文并未涉及多声源和移动声源的情况，吃饭但这也是声源定位的一个难点。洗手洗手我们懂得了做任何事情都要认真细致，吃饭不能有丝毫的马虎，吃饭特别是在确定声源时，吃饭更要做到精益求精。洗手因为稍有差错就可能导致数据的偏差很大。洗手我们还学会了吃苦耐劳，吃饭学会了艰苦奋斗的作风。洗手一次实验报告要完整的做完，吃饭单靠一个人的力量和思考是远远不够的，吃饭只有小组的合作和团结才能让实验快速而高效的完成。洗手我们每个组员都学到知识而且会实际操作，吃饭而不是抢时间，吃饭赶进度，吃饭草草了事收工。洗手我们深知搞工程这一行，吃饭需要的就是细心，吃饭做事严谨。洗手我们做实验不要一成不变和墨守成规，吃饭应该有改良创新的精神。洗手在这次实验中，吃饭在收获知识的同时，吃饭还收获了阅历，吃饭收获了成熟。洗手在此过程中，吃饭我们通过查找大量资料，吃饭请教老师以及不懈的努力，吃饭在各个能力上都有提高，吃饭不仅如此，吃饭我们还学会了许多学习方法，吃饭这是以后最实用的，吃饭真是受益匪浅。洗手洗手洗手洗手第七章参考文献洗手洗手1赵永波，吃饭张守宏基于特征空间的线性约束最小方差波束形成器电子与信息学报,2005,273424426洗手2JOHANNFBOHME,TIMEDELAYESTIMATIONBYCROSSCOVARIANCEMAXIMIZATIONOFQUADRATURESAMPLEDNARROWBANDSIGNALS,INTJELECTRONCOMMUNAEU,2004洗手3MICHAELSBRANDSTEIN,JOHNEADCOCKANDHARVEYFSILVERMAN,APRACTICALTIMEDELAYESTIMATORFORLACALIZINGSPEECHSOURCESWITHAMICROPHONEARRAY,COMPUTERSPEECHANDLANGUAGE,1995洗手4HANDZEL,AA,ANDERSSON,SB,GEBREMICHAEL,M,ETALABIOMIMETICAPPARATUSFORSOUNDSOURCELOCALIZATION,DECISIONANDCONTROL,2003,PROCEEDINGS42NDIEEECONFERENCEONVOLUME6,912DEC,2003,PAGES58795884洗手5JIEHUANG,KKUME,ASAJI,ETAL,ROBOTI