[发明专利]一种基于瞬态双时间序列触发法的实时声源定位方法

说明书

本发明公开了一种基于瞬态双时间序列触发法的实时声源定位方法，涉及声源定位领域，包括：用三个麦克风接收声源信号；通过高速放大电路，将麦克风接收到的声音信号转化成模拟信号并放大；通过高速LVDS比较器电路，对转化而来的模拟信号进行高速采样，获得声音的低压差分信号；通过LVDS转换电路，将声音的低压差分信号转换成TTL信号，利用TTL信号电平变化的瞬间，触发stm32的外部中断，并利用双时间序列法对stm32的外部中断的时刻进行测量，获得麦克风接收到声音信号的瞬态时间，根据瞬态时间以及三个麦克风的相对位置关系计算声源位置。本发明提高了声源定位的准确性和实用性。

技术领域

本发明涉及声源定位领域，更具体地说，涉及一种基于瞬态双时间序列触发法的实时声源定位方法。

背景技术

声源的定位识别是指在同时有许多噪声源或包含许多振动发声部件的振源声场下，声波以球面波形式传播，在振源声场的不同相位曲线处，同一声波到达的时间不同。当声波通过麦克风阵列时，由于振动，产生的压强改变量，会引起麦克风薄膜的电压变化。通过分析空间中不同位置的电压变化，即可得出声源的位置信息。基于振源声场的声源定位技术具有广泛的应用前景。比如，在军事领域，利用传感器阵列检测枪声中的马赫波和枪口波来进行枪声声源定位，从而实时获取狙击手的位置；在机器制造领域，利用声源定位技术寻找定位噪声源或者故障源，从而进行噪声治理以及排查故障；在民用领域，如智能机器人、助听设备等地方都可以看到基于麦克风阵列的声源定位。特别是将麦克风阵列应用在视频会议中，用于确定和实时跟踪说话人的位置，增强视频会议的效果。这些应用都对声源定位系统的实时性和准确性都提出了一定的要求，所以研究振源声场下，如何提高声源定位的实时性具有十分重要的意义。

基于振源声场的声源定位算法目前可分为三类：

（1）基于高分辨谱估计的定位算法。该算法主要是针对窄带信号，通过麦克风阵元所采集到的声音信号得到数据协方差矩阵，然后进行特征值分解。该算法主要包括了自回归(AR)模型法、多信号分类(MUSIC)算法以及旋转不变子空间 (ESPRIT)算法等。该算法具有较强的分辨能力，精度也比较高，但是其对整个定位模型的要求较高，需要较长的观测数据，运算量大，同时，对噪声环境敏感，因而在现代的大型声源定位系统中很少采用。

（2）波束形成法。它是基于最大输出功率的可控波束形成技术(Beamforming)。它的基本思想就是将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波束，通过搜索声源的可能位置来引导该波束，修改权值使得传声器阵列的输出信号功率最大，当找到功率最大值点的时候，便是声源的位置。这种方法对于窄带和宽带信号都适用，同时在时域和频域中都能够使用。该算法主要应用于大型麦克风阵列定位探测系统之中。但是从算法过程来看，需要不断对当前结果进行对比迭代，所以计算量相对较大。

（3）基于到达时间差的定位算法，也是目前最主要的一种声源定位算法。该算法分为两个部分，第1步是时延估计，第2步是定位估计。该算法结构简单，计算量小，实时性有一定提高。对于时延估计而言，目前主流方法有广义互相关方法，自适应最小均方方法、自适应特征值分解法、Chan算法等，其中最为常用的是广义互相关方法。虽然广义互相关方法利用加权函数来增强信号的信噪比，提高时延估计精度，克服了基本互相关方法在时延估计中的缺陷，但这种方法的计算量以及外界噪声会对声源定位系统的实时性和准确性造成一定影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于瞬态双时间序列触发法的实时声源定位方法，通过研究球面波传播特性，构建振源声场传播模型，再通过高速放大电路、高速LVDS比较器以及LVDS转换电路搭建高速LVDS触发信号产生模块，将振源声场中的声音信号转换为TTL信号，然后利用4个高精度定时器形成双时间序列，再通过stm32外部中断触发，捕获麦克风瞬态时间，从而获得精确的时延数据，再通过计算将结果发送至显示设备，实现了快速、准确、实时性高的声源的准确定位。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：