【導(dǎo)讀】處理，繼而確定和跟蹤聲源的空間位置。聲源定位技術(shù)在視頻會議、語音識別和說話人。識別、目標定位和助聽裝置等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的單個麥克風(fēng)的拾音范圍很。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；

　　

【正文】 40m/s 圖 不同陣元間距下的目標距離估計誤差 由上圖可知， 目標距離 估計 的精度和陣元間距 、目標距離以及目標 俯仰角有關(guān) 。 在目標方位角 及時延估計誤差 一定時， 陣元間距越大，方位角估計的標準差越小，精 度越高； 俯仰 角越大， 目標距離估計的標準差越高，而定位 精度 越低 。 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 38 頁 圖 不同目標距離時的時延估計誤差 由上圖可知， 目標距離估計誤差還與時延估計誤差有關(guān)，上圖是在 時延 估計誤差分別為 1us,5us 時 ，不同的目標距離下對目標距離估計誤差的仿真。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 D=3m,r=100m， 1??? us 時，五元十字陣的 目標距離估計 精度 由上圖可知，在時延估計誤差、陣元間距及目標距離一 定時，目標距離估計精度還與方位角有關(guān)，方位角越大時，目標距離定位精度稍有降低，但對其影響不大。 畢業(yè)設(shè)計說明書 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 ?? ，則時延估計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 4sin ( ) ( )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 t a n ( )???? ? ? ??? ??? ? ? () 20 2 0 1 0 3111 ta n?? ? ? ?? ??? ? ? () 0 2 0 4220 3 0 1 0 311 t a n ( )???? ? ? ??? ??? ? ? () 20 4 0 1 0 311()1 t a 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，時延估計引起的方位角誤差跟聲速 C陣元間距D 和俯仰角 ? 有關(guān)，而跟目標聲源的方位角無關(guān)。釆用四陣元十字陣時，陣元數(shù)目減少 ,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但仿真結(jié)果表明，目標方位角 ? 為 0 度或 180 度附近時，方位角估計的誤差較大。而五陣元十字陣系統(tǒng)的定向精度與目標 的方位角無關(guān)。 設(shè)時延估計的均方根誤差為 ?? =5us， 聲速 C=340m/s,由式 ()，可以得到 五元十字陣 的目標 方位角定位 精度如圖 所示。 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 38 頁 圖 不同陣元間距下的方位角估計誤差 由 上 圖 可知 ，五元陣中 方位角估計的精度和 陣元間距 及目標的俯仰角有關(guān)，而與 目標的方位角無關(guān)，克服了四元十字陣測向時受目標方位角影響的缺點。 對 于 給定的時延估 計精度，隨陣 元間距 的增大，方位角估計精度提高 ；且目標俯仰角越大，方位角估計的均方根誤差越小，精度也越高。 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。 俯仰角精度分析及仿真 同理 ，根據(jù) 220 1 0 3 0 2 0 4sin ( ) ( )CD? ? ? ? ?? ? ? ?，可求得俯仰角對各時延的偏導(dǎo)數(shù)為： 20 1 0 320 1 0 320 2 0 420 2 0 42 ()si n 22 ()si n 2CDCD?? ??? ? ??? ??? ? ?? ??? ? ? ?? ???? ??? ? ? ? ?? ??? ()因此俯仰角方差同時延方差之間的關(guān)系式可表示 為： 2 2 2 20 1 0 2 0 3 0 4( ) ( ) ( ) ( )? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 22cosCD ???? () 圖 不同陣元間距下的俯仰角估計誤差 由 上 圖 可知 ,目 標俯仰角的估計精度 與 陣 元間距及 目標俯仰角 有關(guān)，而與方位角無關(guān)。在時延估計誤差一定時，增大陣元間距 可以提高目標的俯仰角估計精度；與目標方畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 38 頁 位 角 估計精度情況相反，隨著目標俯仰角的增大，俯仰角 估計 的 標準差上升，而定位 精度下降 。 圖 五元陣的俯仰角估計 精度 由 上 圖 可知 ， 目標俯仰角的估計精度 還與 時延估計 誤差有關(guān)， 時延估計誤差越大，俯仰角估計的標準差越大，定位精度越低。在時延估計誤差一定時， 隨著目標俯仰角的增大， 定位 精度下降 。 距離估計精度分析及仿真 由距離 r對各時延的偏導(dǎo)數(shù)可得： 02202 ( )(sin 4 )iirC C rr D ????? ??? （ 1,2,3,4i? ） () 因此距離方差同時延方差之間的關(guān)系式可表示為： 2 2 2 20 1 0 2 0 3 0 4( ) ( ) ( ) ( )r r r r r? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 22224 (4 sin )rC D rD ????? ? () 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 38 頁 圖 時延估計誤差為 5us 時， 不同陣元間距下的目標距離估計 精度 由 上 圖 可知 ,目標 距離 的 定位精度 與陣 元間距 、 目標 距離 、 目標的俯仰角有關(guān)，而與目標的方位角無關(guān)。 陣元間距越大， 目標 距離定位 精度 越高；而 在一定的陣元間距 下和時延估計誤差下，隨著目標 距離增大， 定位 精度有所下降； 隨著目標俯仰角的增大，定位 精度 也下降。 圖 不同目標距離時的時延估計誤差 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 38 頁 由上圖及式（ ）可知，目標距離估計誤差還與時延估計誤差有關(guān)，上圖是在目標距離估計誤差分別為 , 時 ，不同的目標距離下對時延估計誤差的仿真。目標距離越大時，時延估計誤差越?。荒繕司嚯x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。 圖 D=3m,r=100m， 5??? us 時，五元十字陣的 目標距離估計 精度 由上圖可知，在 時延估計誤差、陣元間距及目標距離一定時，目標距離估計精度與俯仰角有關(guān)，而與方位角無關(guān)。 目標俯仰角的 越大 ， 定位 精度 越高。 本章小結(jié) 本章論述了基于時延估計的聲源 定位 原理，研究了基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位的算法，推導(dǎo)出了四元、五元十字陣的聲源定位方程，并對四元和五元兩種十字陣的定位精度進行了理論分析和對比，最后利用 matlab 仿真軟件對其精度進行了仿真分析。 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 38 頁 4 多元麥克風(fēng)陣列聲源定位分析 多元麥克風(fēng)陣列定位方程 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，定位技術(shù)在航空、航天、交通、海 洋資源勘探等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。近年來，針對某些特殊的陣形 (如平面三元陣、平面四元陣 )的研究較多，而對任意陣列模型的研究較少 [13]。由于實驗設(shè)備幾何外形尺寸的限制以及在野外傳感器布設(shè)時受地形條件的影響 (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)生隨機的移動 )，很多情況下平面陣列不能滿足實際應(yīng)用的需要，陣列布 設(shè)往往需要任意陣。 針對試驗中陣列傳感器布設(shè)中存在的問題，本文提出了任意多元陣列定位模型 [14]，利用最小二乘法的估計特性，解決迭代法的初始值問題，以提高定位精度。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)空間任意分布的 N元傳感器陣列 ( 0 1 2,P PP ?? nP )， 其空間相互位置已知并且在同一坐標系中，如圖（ ）所示。其中， 0 0 0 0( , , )P x y z 為坐標原點 （ 0,0,0） ，其它傳感器的位置坐標為 ( , , )i i i iP x y z （ i =1,2……n ） ,點 ( , , )Px yz 為 目標 位置，信源在介質(zhì)中的傳播速度為 c , iR 表示目標位置 P到各傳感器 iP (i=0,1,2,3?? n)的距離 , 0it 分別 為目標到 第 i 接收傳感器與到第 0 接收傳感器時間差，則有 0 0 0i i iR ct R R? ? ?，因此可建立n1 個 定位 方程 [15]。 圖 任意多元陣列定位原理圖 0 0 0i i iR ct R R? ? ?（ i =1， 2,3?? n） () 式中 : 2 2 2( ) ( ) ( )i i i iR x x y y z z? ? ? ? ? ? 2 2 20 0 0 0( ) ( ) ( )R x x y y z z? ? ? ? ? ? 畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 38 頁 整理上式 ()可得如下線形方程組： 1 1 1 01 0 12 2 2 02 0 200.......n n n n nx x y y z z c t R Mx x y y z z c t R Mx x y y z z c t R M? ? ? ??? ? ? ? ????? ? ? ? ?? () 式中： 2 2 2 2 201 [ ( ) ]2i i i i iM x y z c t? ? ? ? （ i =1,2?? n） 令： 1 1 1 0 12 2 2 0 23 3 3 0 30.. . .. . .. . .. .n n n nx y z ctx y z ctA x y z ctx y z ct????????? 0xyXzR????????????? 123...nMMbMM????????????????? 則上面方程式可簡化為： AX b? 求解上述方程組可得到目標 位 置 ( , , )Px yz 。當(dāng)方程的個數(shù)大于未知數(shù)的個數(shù)時，等價于非線性最優(yōu)化問題，可采用改進算法得到最優(yōu)解。 理論上當(dāng)空間布設(shè)的傳感器的個數(shù)為 5 時 ， 可依據(jù)線性方程組 (2)求解 目標 位置和 目標到坐標原點的距離 0R ，而實際中為提高系統(tǒng) 的定位精度和定位范圍，傳感器的個數(shù)要遠超過 5， 即列出的方程的數(shù)目大于需求解的未知數(shù)的數(shù)目，因此采用最小二乘法使殘差平方和最小，以提高定位精度。 最小二乘法求聲源位置 最小二乘法求解是基于由多個傳感器獲得的到達時間所建立的式 （ ） 所給出的固定方程組 ()得 到聲發(fā)射源位置坐標。 2 2 2( ) ( ) ( ) ( )i i i ix x y y z z c t t? ? ? ? ? ? ? ()對于線性組合的方程組 ()(式中 n5)，利用最小二乘法求解 [16]。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