【正文】 系統(tǒng)一般用熱 線，碳?；螂娙輦髀暺鹘邮章曇粜盘?hào)，用無線電技術(shù)或光纖技術(shù)傳輸信號(hào) ,用電蝕紙帶或墨水紙帶記錄測量結(jié)果，并把記錄儀與計(jì)算機(jī)相連 ,用計(jì)算機(jī)處理測量結(jié)果。 麥克風(fēng)聲源定位技術(shù) 麥克風(fēng)陣列是獲取高質(zhì)量語音信號(hào)的重要途徑。麥克風(fēng)陣列的聲源定位是指用麥克風(fēng)陣列拾取聲音信號(hào)，通過對多路聲音信號(hào)進(jìn)行分析與處理，在空間域中定曲一個(gè)或多個(gè)聲源的平面或空間坐標(biāo)，即得到聲源的位置，以進(jìn)一步控制攝像機(jī)和麥克風(fēng)陣列波束對準(zhǔn)正在說話的人。 TDOA 方法首先求出聲音到達(dá)不同位置麥克風(fēng)的時(shí)延，再利用這些時(shí)延求得聲音到達(dá)不同位置麥克風(fēng)的距離差，最后用搜索或幾何知識(shí)確定聲源位置。 第二章主要概述了聲學(xué)理論的基礎(chǔ)知識(shí)及聲波的物理傳播特性，并簡述了聲源定位原理，繼而為后面研究聲源定位技 術(shù)打好基礎(chǔ)。 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 38 頁 2 聲學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí) 空氣的物理特性 當(dāng)聲波在空氣媒質(zhì)中傳播時(shí)，空氣的物理特性，如密度、溫度、壓強(qiáng)、比熱 和粘滯性系數(shù)等，會(huì)直接影響到聲波的物理特性。 聲波的物理特性 當(dāng)外力對介質(zhì)的某一部分產(chǎn)生初始擾動(dòng)時(shí)，這種擾動(dòng)就將由一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 傳播到另一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，交替形成密層和疏層；如此繼續(xù)傳播下去，就形成了波。由于聲波的頻率范圍2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 38 頁 較廣，從 410? Hz到 1012Hz，因此當(dāng)那種周期性變化的頻率在聲頻 范圍 2092? 202212內(nèi)時(shí)，就將其稱為是聲 音或聲波：變化頻率低于聲頻范圍的彈性波被稱為次聲波；而變化頻率髙于聲頻范圍的彈性波則稱為超聲波。 衡量聲波的物理量主要有兩個(gè)方面：一方面是聲音強(qiáng)度的度量，即反應(yīng)聲的大?。涣硪环矫媸锹曨l的高低度量。聲壓是用來表示聲音強(qiáng)弱的物理量。 聲壓一般是時(shí)間和空間的函數(shù)，即： P=P(x,y,z,t) () P(t,x)= 0P? ()j wt kxe ? () 式中 ? —— 圓頻率， ? = 2f? ； k —— 波數(shù)， k c?? ； 0P —— 聲壓幅值； 此聲場是一個(gè) 波陣面為平面，沿正 x方向以速度 c 傳播的平面行波。 聲功率，是聲源聲輸出的一種基本度量，也是聲源本身的一種基本物理特性；它是指聲源在 單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總的聲能量，單位為： W； 在自由聲場中，聲源中聲功率與聲強(qiáng)有如下關(guān)系： 24W I r??? ()式中 r —— 離 開 聲源的距離； W —— 聲源輻射的聲功率； (3) 聲能 密 度 聲能密度是指在傳播媒質(zhì)中，媒質(zhì)單位體積內(nèi)所包含的聲能。級(jí)的類別用名稱表示有聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)等 [7]。球面 波則是波陣面為同心球面的聲波；球面波在介質(zhì)中傳播時(shí)，球面波的聲強(qiáng)與距聲源距離的平方成反比，也就是說聲壓與傳播距離成反比；在理想媒質(zhì)中，聲壓與球面聲波的半徑成反比。對于聲波衰減現(xiàn)象可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：當(dāng)聲波傳播一段較小的距離辦后，振幅的減小量與原來的振幅成正比，也與這段距離成正比，即 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 38 頁 ? ?mmd dx? ? ?? ? ? ? ()當(dāng) x=0時(shí)， 0mm??? ，因此有 0 xmme ??? ??? () 式中 ? —— 媒質(zhì)對聲波的衰減系數(shù)，由兩部分組成，即吸收衰減系數(shù)和散射衰減系數(shù)；其單位為：奈培 .米 1 在均勻介質(zhì)中，對于被動(dòng)聲設(shè)備其接收點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的衰減可表示為 ： ? ? 0 2 10 rHIIr r ???? () 式中 0I 、 HI —— 分別為接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn) 的信號(hào)強(qiáng)度； r —— 收發(fā)間距（或是帶有接收換能器的聲源裝置與目標(biāo)間的距離）； ? —— 吸收系數(shù)； 由于介質(zhì)往往是不均勻的，因此對上式進(jìn)行修正 ： ? ? ? ? 2 10 rHII r A rr ??? ? ? () 式中 ? —— 空間衰減系數(shù) ； ??Ar —— 異常 值，即：在相同距離上，不均勻介質(zhì)中信號(hào)強(qiáng)度與均勻介質(zhì)中的信號(hào)強(qiáng)度之比；其不是距離的單調(diào)函數(shù)； 聲源定位原理 聲源定位技術(shù)是利用聲學(xué)與電子裝置接收目標(biāo)聲場信息以確定目標(biāo)聲源位置的一種技術(shù)。 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 38 頁 被動(dòng)聲目標(biāo)定位算法按照測量依據(jù)來分主要有兩種 :一種是基于時(shí)延估計(jì) (信號(hào)到達(dá)不同傳聲器間的時(shí)間差 )的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)測量法，而另一種則是基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的參數(shù)估計(jì)測量方法 [9]；由于前者具有較高的測向、測距精度，并有較強(qiáng)的抗干擾性能，是目前被動(dòng)聲測系統(tǒng)中廣泛釆用 的方法。由此可見，由 N個(gè)傳聲器組成的陣列可以獲得 N1個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)間延遲值；根據(jù)目標(biāo)位置的自由度，可知要確定平面目標(biāo)位置至少需要 3個(gè)傳聲器，即2個(gè)時(shí)延值；而確定空間中的目標(biāo)位置則至少需要 4個(gè)傳聲器， 即 3 個(gè)時(shí)延值；但由于受到區(qū)域條件、陣列設(shè)計(jì)方法等的限制，傳聲器陣列中傳聲器元件的個(gè)數(shù)不宜過多。對于固定式陣列，線陣只能對以陣列所在直線為界的半個(gè)平面進(jìn)行定位，否則解不唯一。由 N 個(gè)聲傳感器陣元組成的陣列，可以得到 N1個(gè)獨(dú)立的時(shí)延，空中的直升機(jī)對于被動(dòng)聲定位系統(tǒng)來說可以看成點(diǎn)目標(biāo)，有三個(gè)自由度。 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 38 頁 四元陣列定位算法 如圖 ， 十 字形聲傳感器陣列，由兩個(gè)相互正交的線陣 S S3和 S S4組成。 圖 四元十字陣定位示意圖 當(dāng)目標(biāo)聲源 T離陣中心的距離比 陣元間距大的多時(shí)，可以假設(shè)目標(biāo) T為點(diǎn)聲源， 并以球面波形式進(jìn)行傳播。 由（ ）式，可解得由直角坐標(biāo) （ x,y,z） 表示的方位角 ? ，俯仰角 ? 以及目標(biāo)聲源T 距陣中心的距離 r。建立如圖 所示的直角坐標(biāo)系，五陣元所在位置的直角坐 標(biāo)分別為： 0(0,0,0)S , 1( / 2,0,0)SD , 3 ( / 2,0,0)SD? , 2(0, / 2,0)SD , 4 (0, / 2,0)SD? ,目標(biāo)聲源 T 的直角坐標(biāo)為 (x,y,z)。下面分別就四陣元十字陣和五陣元十字陣的時(shí)延估計(jì)誤差對系統(tǒng)的定向精度的影響進(jìn)行分析。 設(shè)變量 y 由兩個(gè)分項(xiàng) x1,x2 合成，即 y 是 x1,x2 的函數(shù)： 12( , )y f x x? ()設(shè) 10x 、 20x 分別是 1x 、 2x 的真值，如果函數(shù)在 10 20( , )xx 附近的各階偏導(dǎo)數(shù)都存在，把上式在 10 20( , )xx 展幵成泰勒級(jí)數(shù)可以得到： 1 2 1 0 2 0 1 1 0 2 2 012( , ) ( , ) [ ( ) ( ) ]ffy f x x f x x x x x xxx??? ? ? ? ? ? 2221 1 0 1 1 0 2 2 021 1 21 [ ( ) 2 ( ) ( )2! ffx x x x x xx x x??? ? ? ? ?? ? ? 2 22 2 0 1 222 ( ) ] ( , )f x x R x xx?? ? ?? ()式中， 12( , )Rx x 表示展開式的余項(xiàng)。不考慮第二項(xiàng)，將等式兩端同除以 n，得到： 2 2 21 1 111( ) ( )n m ny i x jii j ijfn x n??? ? ??? ?? ? ? () 整理得到： 2 2 21( ) ( ) ( )mjmj jfy x xx??? ?? ?? ()式 ()即是在 m項(xiàng)分量相互獨(dú)立時(shí)的方差合成公式。 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 38 頁 圖 四元陣列的方位角定位精度 由 上 圖 可知 ， 方位角估計(jì)的精度還與 時(shí)延估計(jì)誤差 有關(guān)，時(shí)延估計(jì)誤差越大，方位角估計(jì) 的標(biāo)準(zhǔn)差也越大，定位精度就越低。 圖 四 元 十字 陣的俯仰角估計(jì) 精度 由 上圖 可知 ， 目標(biāo)俯仰角的估計(jì)精度 還 受時(shí)延估計(jì) 誤差影響， 時(shí)延估計(jì)誤差越大，方位角估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差也越大，定位精度就越低。 在目標(biāo)方位角 及時(shí)延估計(jì)誤差 一定時(shí)， 陣元間距越大，方位角估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差越小，精度越高； 俯仰 角越大， 目標(biāo)距離估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差越高，而定位 精度 越低 。 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 38 頁 五元陣列的定位精度分析及其仿真 方位角精度分析及仿真 設(shè) 0 ( 1, 2,3, 4)i i? ? 的方差為 ?? ，則時(shí)延估計(jì)引起的方位角誤差為： 2 2 2 20 1 0 2 0 3 0 4( ) ( ) ( ) ( )? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ()由 ()、 ()，可得： 220 1 0 3 0 2 0 4si n ( ) ( )CD? ? ? ? ?? ? ? ? () 02 0401 03tan??? ???? ? ()分別 對上式求偏導(dǎo)數(shù)，得： 0 4 0 2220 1 0 1 0 311 ta n ( )???? ? ? ??? ??? ? ? () 20 2 0 1 0 3111 ta n?? ? ? ?? ??? ? ? () 0 2 0 4220 3 0 1 0 311 ta n ( )???? ? ? ??? ??? ? ? () 20 4 0 1 0 311()1 ta n?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ()將上式聯(lián)立，代入（ ）式，得： 2sinCD?? ????? ()由式 ()可看出，對于五陣元十字陣，時(shí)延估計(jì)引起的方位角誤差跟聲速 C陣元間距D和俯仰角 ? 有關(guān)，而跟目 標(biāo)聲源的方位角無關(guān)。 2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁 共 38 頁 圖 不同陣元間距下的方位角估計(jì)誤差 由 上 圖 可知 ，五元陣中 方位角估計(jì)的 精度和 陣元間距 及目標(biāo)的俯仰角有關(guān)，而與 目標(biāo)的方位角無關(guān)，克服了四元十字陣測向時(shí)受目標(biāo)方位角影響的缺點(diǎn)。在時(shí)延估計(jì)誤差一定時(shí)，增大陣元間距 可以提高目標(biāo)的俯仰角估計(jì)精度；與目標(biāo)方2022 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26 頁 共 38 頁 位 角 估計(jì)精度情況相反，隨著目標(biāo)俯仰角的增大，俯仰角 估計(jì) 的 標(biāo)準(zhǔn)差上升，而定位 精度下降 。 陣元間距越大， 目標(biāo) 距離定位 精度 越高；而 在一定的陣元間距 下和時(shí)延估計(jì)誤差下，隨著目標(biāo) 距離增大， 定位精度有所下降； 隨著目標(biāo)俯仰角的增大，定位 精度 也下降。 目標(biāo)俯仰角的 越大 ， 定位 精度 越高。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備幾何外形尺寸的限制以及在野外傳感器布設(shè)時(shí)受地形條件的影響 (如基于智能浮漂陣列的水聲定位系統(tǒng)中，浮漂單元易受海洋波浪、風(fēng)等因素的影響而發(fā)生隨機(jī)的移動(dòng) )，很多情況下平面陣列不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，陣列布設(shè)往往需要任意陣。其中， 0 0 0 0( , , )P x y z 為坐標(biāo)原點(diǎn) （ 0,0,0） ，其它傳感器的位置坐標(biāo)為 ( , , )i i i iP x y z （ i =1,2……n ） ,點(diǎn) ( , , )Px y z 為 目標(biāo) 位置，信源在介質(zhì)中的傳播速度為 c , iR 表示目標(biāo)位置 P到各傳感器 iP (i=0,1,2,3?? n)的距離 , 0it 分別 為目標(biāo)到 第 i 接收傳感器與到第 0 接收傳感器時(shí)間差，則有 0 0 0i i iR ct R R? ? ?，因此可建立n1 個(gè) 定位 方程 [1