基于坐标变换的N维空间声源位置的定位算法

　　1　引　言

　　声源定位就是根据传声器阵列接收的数据确定声源的位置。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,相比单个传声器,它具有抑制环境噪声,很强的空间选择性,无须移动传声器就可对声源信号自动监测、定位和跟踪等优点。声源定位技术由于在通信和移动机器人[1~3]、水下目标定位[4]、压力容器的无损

　　检测[5]以及航空航天领域中舱体的落点测量、军事试验中的弹着点测量等领域有着广泛的应用,近年来一直受到众多研究者的关注。定位声源的方法有很多种,包括到达时延( time delay ofarriva,l TDA)声源定位方法、到达信号相位差( interauralphase difference, IPD)定位方法、到达信号声压差( interaural intensity difference, IID)定位方法等[6,7]。

　　本文实验中设计了4路声音信号采集通道,通过单片机采集同一声源信号到达4个不同位置传感器的3个时间差,在上位机根据TDA原理,实现了空间三维声源的定位。然而4路声音采集通道对声音定位并不是很准确,需要增加声音采集通道,从而得到多个时间差,以提高定位精度;但这也增加了上位机的计算难度,如5个采集通道得到4个时间差就对应一个4维方程组,N个采集通道就对应N-1维方程组;从而在上位机定位计算过程中遇到了一个N维二次非线性方程组的数值解法问题。Michael等人曾对定位算法等进行了研究,但尚未很好地解决多维情况下的声音定位问题[8,9]。

　　目前,定位数值计算的方法有多种,像蒙特卡罗算法[10]等,都有计算过程繁琐和不确定性等缺点。本文结合实验,先构建一个三维空间目标定位模型,然后将其推广到N维,通过坐标变换简化计算,可实现N维空间的目标精确定位,并得出了N维二次非线性方程组的通用数值解法。

　　2三维空间声源目标定位物理模型

　　本系统中将4个相同的声音传感器M1、M2、M3、M4放置在测量区域内,这些传感器位置坐标分别为M1( x1, y1, z1)、M2( x2, y2, z2)、M3( x3, y3, z3)、M4( x4, y4, z4)。当测量区域内任意点T( x, y, z)处有声源产生时,声波传到声音传感器,经过选频和滤波之后,每个声音传感器上的放大和比较电路分别对所接收的声信号进行放大和比较,根据声音信号的特征峰值将模拟信号转变成数字信号并送给单片机,通过单片机采集各声音传感器的延时值,并传送给上位机处理。系统原理如图1所示。

　　先假设声源到M1的距离为s,由测得声源到M2与M1之间的时间差计算得距离差Δs1。同理得,源到M3与M1之间的距离差为Δs2,声源到M4与M1之间的距离差为Δs3。于是有下式

　　如果是第2路或者其他路传感器先收到信号,方程形式是一样的,只要将方程中的传感器坐标位置交换就可以了。如果考虑当时环境中的风速,则方程中速度项应该加上风速矢量在各路传感器与声源方向连线上的投影,即在s项上面叠加一项由风速引起的附加距离即可。