基于到达时间差的平面声无源定位技术研究

    1 TDOA的定位原理

    时差(TDOA)定位又称为双曲线定位,是一种重要的无源定位方法,它是通过处理三个或更多个传感器采集到的信号到达时间测量数据对未知声源进行定位的。在二维平面中,声源信号到达两个传感器的时间差确定了一对以传感器为焦点的双曲线,利用三站就可形成两对双曲线来产生交点,再利用测向信息排除虚假点,就能确定声源的位置。

    2 平面定位实验系统

    采用ATMEL公 司 的 高 性 能 低 功 耗 的AVR8位嵌入式微处理器Atmega16L,三路信号分别作为三个外部中断输入信号,传感器通过引脚INT0,INT1,INT2连接到Atmega16L。

    电路平时检测单片机I/O为高电平,当检测到有声音信号输入时,I/O变为低电平输入,单片机同步的为3个传感器提供清0、时钟信号,“事件计数”信号使各自对应的比较器停止计数,该路进入“不感”状态。并向单片机发送一个中断信号。当单片机收到了全部三路的中断信号后,通过读取中断中记录的计数器的计数值和相应的判别计算,便可得出声源信号到达3个测量点的时间差,最后通过二维平面TDOA算法计算出声源的具体位置,传感器分别安放在平面的三个顶角。

    集成开发环境使用AVR Studio,它允许用户在AVR在线仿真器或内建AVR指令集模拟器上(软件模拟仿真)控制程序的运行。

    程序开始初始化系统,然后进行端口扫描,检测是否有数据,若有数据进入,系统进入中断程序,记录数据,根据三个传感器接收到的信息计算声音到达各传感器之间的时间差,利用二维平面定位算法计算出声源的位置并显示。

    3 实验数据及分析

    3个传感器的坐标分别为A(0,0),B(350,0)和C(0,350),单位厘米。目标位置为S(,),根据单片机记录传感器输入的信号信息和每个中断记录的时钟时间,设分别为,和,计算出到达A点和B点的时间差和到达A和C点的时间差。

    将数值代入式1中就可得到声源的位置坐标。利用测向信息就可排除虚假定位点,确定目标位置。

    数据如表1所示,对于同一位置我们做了10次测量,由数据可以看出每次给出的声源的位置都略有不同,除第4组数值失真外,其他误差在6厘米范围内,结果基本与理论值相同。第4组数值由于受到外部声音干扰,因此误差较大。当环境噪声小于测量电路的门限值时,环境噪声被直接滤掉,因此这个实际的声无源定位系统有很高的精度和一定的抗噪性。从试验数据中我们可以看出该系统的确误差较小。当有两或多个声源时,由第4组数据我们可以看出声源估计位置严重失真,因此该系统不适合多个声源的定位,或者环境噪声大于测量电路的门限值时,该系统也不能够准确的对声源进行定位。