【正文】 Through the contrast of the target value and set value, multiple array positioning accuracy is analyzed, and the of diverse array target positioning. Keywords: Microphone Array, Sound Source Localization, Time Delay, Positioning precision , root mean square error 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 I 頁 共 Ⅱ 頁 目 錄 1 引言 .................................................................. 1 研究背景和意義 ....................................................... 1 聲源定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 ........................................ 1 研究歷史和現(xiàn)狀 .................................................... 1 發(fā)展趨勢 .......................................................... 2 麥克風(fēng)聲源定位技術(shù) ................................................... 3 本文所要研究的內(nèi)容 ................................................... 4 2 聲學(xué)理論基礎(chǔ)知識 ...................................................... 5 空氣的物理特性 ....................................................... 5 聲波的物理特性 ....................................................... 5 聲波在空氣中的傳播特性 ............................................... 8 聲源定位原理 ......................................................... 9 本章小結(jié) ............................................................ 10 3 基于時延估計的聲源定位算法及其精度分析 ............................... 11 時延估計算法概述 .................................................... 11 基于時延估計的聲源定位的研究分析 .................................... 11 四元陣列定位算法 ................................................. 12 五元陣列定位算法 ................................................. 15 四元陣列的定位精度分析及其仿真 ...................................... 15 方位角精度分析及仿真 ............................................. 17 俯仰角精度分析及仿真 ............................................. 19 距離估計精度分析及仿真 ........................................... 21 五元陣列的定位精度分析及其仿真 ...................................... 23 方位角精度分析及仿真 ............................................. 23 俯仰角精度分析及仿真 ............................................. 25 距離估計精度分析及仿真 ........................................... 26 本章小結(jié) ............................................................ 28 4 多元麥克風(fēng)陣列聲源定位分析 ........................................... 29 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁 共 Ⅱ 頁 多元麥克風(fēng)陣列定位方程 .............................................. 29 最小二乘法求聲源位置 ................................................ 30 定位精度分析 ........................................................ 31 結(jié)果及計算分析 ...................................................... 32 本章小結(jié) ........................................................... 33 5 總結(jié)與展望 ........................................................... 34 全文總結(jié) ............................................................ 34 本文的不足之處及后續(xù)工作展望 ........................................ 34 參考文獻 ................................................................ 36 致 謝 .................................................................. 38 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 38 頁 1 引言 研究背景和意義 在各種電子設(shè)備高度智能化的今天，語音增強與聲源定位技術(shù)成為語音通信領(lǐng)域中兩種不可缺少的技術(shù)。 本文主要對基于 多麥克風(fēng) 陣列的聲源定位技術(shù)領(lǐng)域中的基于時延的定位理論進行了研究， 在此基礎(chǔ)上研究了四元陣列、五元陣列以及多元陣列的定位算法， 并且 分別對其定位精度進行了分析， 推導(dǎo)出了 影響四元、五元陣列 目標方位角、 俯 仰角及 目標 距離的 定位精度的一些因素及相關(guān)定位方程，并通過 matlab 仿真軟件對其定位精度進行了仿真；最后在四元、五元陣列的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法對多元陣列定位進行了計算；通過目標計算值和設(shè)定值對比，對多元陣列的定位精度進行了分析，并 得出了多元陣列的目標定位的均方根誤差。 聲源定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 研究歷史和現(xiàn)狀 近年來，傳感器和探測技術(shù)、微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，均為聲探測技術(shù)用于直升機等軍事目標的定位、跟蹤和識別幵辟了新的應(yīng)用前景，使聲探測技術(shù)成為一種重 要的軍事偵察手段和防空作戰(zhàn)中反電子干擾和反低空突防的一種有效途徑。歷史遺留下來的邊界和領(lǐng)土爭端、南海諸島的主權(quán)爭議以及臺灣問題等都對我國構(gòu)成了不安定的因素。地面聲測產(chǎn)生于第一次世界大戰(zhàn)。（ 2）隱蔽性強。目前 ,聲測系統(tǒng)的偵察距離可達 30km，精度達到 1%,無線電傳輸方式的展幵時間僅需半小時，可同時測量 50 多個目標 [5]。我們提出了有效的高分辨率多畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 38 頁 聲源定位方法，適用于存在較強混響的環(huán)境。 第四章在第三章的基礎(chǔ)上，分析了多元麥克風(fēng)陣列的聲源定位及定位精度；并用實際數(shù)據(jù)對上述算法及 麥克風(fēng)陣列聲源定位精度進行了 計算求均方根誤差 。 聲音本質(zhì)上是物體的機械振動對氣體介質(zhì)的一種擾動，這種擾動使氣體介質(zhì)的壓強，以及密度、溫度和速度等發(fā)生周期性的變化，忽強忽弱，疏密相間。 (1) 聲壓 聲波對傳播媒質(zhì)作用時，使媒質(zhì)質(zhì)點受到擠壓而產(chǎn)生壓力變化，并發(fā)生周期性的壓縮和膨脹，從而引起媒質(zhì)中壓強的變化。 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 38 頁 在平面波自由聲場中，聲波僅來自聲源方向，此時的聲強可表示為： 2rmsPIc?? ()式中 rmsP —— 有效聲壓； ? —— 空氣密度； c —— 空氣中聲波傳播速度，即聲速； 在擴散聲場中，聲強可表示為： 24rmsPIc?? ()通過上式，可知某點的聲強和該點的聲壓平方成正比。 聲壓級的數(shù)學(xué)表達式為： 220xx 0 lg 2 0 lgpL P P P P?? () 聲強級的數(shù)學(xué)表達式為： 010lgIL I I? () 聲功率級的數(shù)學(xué)表達式為： 010 lgWL W W? () 上述表達式中 0P 、 0I 、 0W 分別表示基準聲壓、基準聲強和基準聲功率，其中 0I 和 0W 的值分別為： 12 20 10I W m?? 和 120 10WW?? ； 聲波在空氣中的傳播特性 聲波在空氣中傳播時，其形狀可根據(jù)波陣面的形狀來劃分，主要有平面波和球面波。如何布設(shè)性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單合理的傳聲器陣列是被動聲目標定位和跟蹤系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一；通常傳聲器陣列布設(shè)的結(jié)構(gòu)可以分為線型陣列、平面陣列和立體陣列等。 基于時延估計的聲源定位的研究分析 聲傳感器陣列的設(shè)計在直升機被動聲定位中具有十分重要的意義。由于十字形陣具有分維 特性，且陣列冗余度較小，因此，十字陣是較為合適的陣形 [10]。 下面推導(dǎo)目標的球坐標 (r, ? ,? )與時延 12? 、 13? 和 14? 的關(guān)系。 圖 五元十字陣定位示意圖 假設(shè)目標聲源 T 以球面波形式進行傳播，到達陣元 S S S3 和 S4 相對于到達陣元 S0 的時延分別為 01? 、 02? 、 03? 、 04? 。 將式 ()的兩邊平方，得： 2 2 21 ( ) ( )mmy x j x j x kj j kj j kf f fx x x? ? ? ???? ? ???? ? ??? 對上式進行 n次求和，則： 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 38 頁 2 2 21 1 1 1( ) ( )n n m n my i x ji x j x k ii i j i j kj j kf f fx x x? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ???? ? ?? ? ? ? ? ()如果 x x2? mx 為相互獨立的變量，則 xji? 與 xki? 互不相關(guān)，它們都是隨機變量。設(shè)聲速 C=340m/s 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 38 頁 圖 不同陣元間距下的俯仰角估計誤差 上圖是對式 ()進行的仿真， 由圖可知， 在時延估計誤差一定時， 俯仰 角估計 的精度和陣元間距以及目標的俯仰角、方位角有關(guān) 。目標距離越大時，目標距離估計的標準差越大，定位精度越低；俯仰角越大時，定位精度也越低。 圖 五元陣的方位角估計精度 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25 頁 共 38 頁 由 上 圖 可知 ， 方位角估計的精度 還與 時延估計誤差有關(guān)， 時延估計誤差越大，方位角估計的標準差越大，定位精度越低； 對 于 給定的時延估 計精度， 隨著目標俯仰角的增大，精度提高。目標距離越大時，時延估計誤差越小；目標距離估計誤差越大，時延估計誤差也越大；而俯仰角越大，時延估計誤差越小。以聲陣列定位系統(tǒng)為例，通過試驗驗證，證明了算法的有效性。假設(shè) x,y,z, 0R 表示各測定值的最可信賴值，且以 12,???? n? 表示各測定值對應(yīng)的殘差 ,則有