基于时间测量的声源定位装置研究与实现

白玲

摘要：随着定位技术在军事和民事中的应用越来越广泛，声源定位也成为热门的研究内容之一。根据到达时间差的定位方法，研究并自主设计了一套声音定位装置。整个装置划分为三个模块，第一个是接收单元，采用超声波传感器，并对收到的信号进行放大滤波等处理；第二个是逻辑、计时及显示单元，确定基站并启动计数器计数，该单元主要由抢时电路和计时电路组成；第三个是上位机主控单元，与单片机进行通信以及实现基于TDOA定位算法。定位算法采用基于TDOA的Chan算法，Chan算法采用最小二乘法进行计算，在TDOA测量误差比较小时具有计算量小，精确性高的优点。实验结果表明，整套定位装置的结构简单，定位精度满足应用需求。

关键词：声源定位：计时电路；到达时间差：Chan算法：最小二乘法

1概述

声源定位技术采用声音传感装置接收声波，对收到的信号进行转化、选频、放大及滤波等一系列处理操作，以实现对声源进行定位的一种技术。声源定位技术很早就被应用在了军事中，例如在第二次世界大战和朝鲜战争中，75%的战场火炮侦察任务是依靠声测手段完成的，国外一些国家也自主设计并生产出了相关产品，例如瑞典Swetron公司的Helisearch直升机声测系统、以色列研制的AEWS声测预警系统等。在民用领域，视频会议中根据发言人的方向转换摄像头，还有助听器、智能机器人等。

声源定位技术有3类基本方法：（1）波束形成法；（2）高分辨定向法；（3）时延估计法。波束形成法虽然计算量相对较小，但是精度较低；高分辨定向法虽然定位精度高，但是计算量很大，效率低；时延估计法是一种被动定位技术，也被称为基于到达时间差（TDOA）技术，这种算法计算量适中、精度较高、实时性也较高，所以本文采用TDOA方法进行定位计算。

TDOA方法是一种双曲线定位法，利用声音信号到达各/卜接收站的距离来确定信号的位置。TDOA方法是一种基于到=达时间差的技术，由于绝对时间一般比较难测量，所以TDOA算法是通过計算声音信号到达各个接收站的时间差，作出以接收站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是声音信号源的位置。TDOA方法的示意图如图1所示。

2硬件设计

本装置采用4个接收站，目标声源发出声音信号后，由接收站接受信号，并对信号进行相应的处理；信号进入抢时电路启动计数器计数并确定基站；将计数器数据与实时温度数据发送至上位机进行定位计算，并将结果显示出来，整体流程图如图2所示。

2.1接收单元

整个装置含有4个接收单元，接收单元采用超声波传感器，首先对收到的声音信号进行放大滤波，达到选频放大去除噪声的目的。接收单元使用NE5532芯片将通过MIC接收到的声音信号进行放大处理，并经带通滤波电路进行滤波，放大滤波电路图如图3所示，放大后的信号再经LM211D芯片组成的门限电路，门限电路原理图如图4所示，处理后的声音信号输入至下个单元。

2.2逻辑控制、计时单元及显示单元

本单元由抢时电路和计时电路组成。由最先收到声音的接收单元的接收时刻作为其他计时单元的计时启动信号，其他计时单元收到的声音时刻作为该单元停止计时信号。所有计时单元都收到声音信号后停止计时，同时向单片机单元发出计时结束的信号。单片机根据计时数据计算并确定声源的位置，计算结果送到显示模块显示，同时向上位机发送结果。单片机通信采用RS485和无线两种方式，单片机随时测量环境温度，以便对测量数据进行温度补偿。

逻辑计数芯片采用美国Lattice公司生产的可编程超高速高密度CPLD逻辑芯片LC4128V。该芯片的主要功能如下：最先接收到声音信号的接收板发出COME信号，LC4128V接收到这个信号后将STOPEN信号置1，禁止该接收板对应的计数器计数并启动其他计数器计数，其他接收板也同样。所有的计数器计数结束之后发出DATAYES的信号表示全部计数结束，READEN信号置低开始读计数器的数据。

2.3上位机主控单元

在上位机主控单元中，在PC机中编写上位机软件，编程采用基于TDOA的Chan算法进行目标声源的定位计算，使用C#与MATLAB联合编程。

3软件设计

基于TDOA的定位方法有很多种，例如：Taylor级数展开算法、Friedlander算法、SI算法、SX（球面相交）算法等都是TDOA定位中的传统算法。Taylor算法是一种迭代的思想，计算结果精确度高，但是非常依赖于初始值，如果初始值较为精确，才会得到精确的结果；Friedlander算法、SI算法、SX（球面相交）算法有一个共同的缺点就是由于算法自身需要特定的条件或者忽略了一些因素而导致最终结果得到的不是最优解，因此本实验选择了算法简单、定位精确度较高的Chan算法。

Chan算法的计算量小，在噪声符合高斯分布的时候具有很高的精确性；Chan算法是将根据TDOA基本原理而列出的非线性方程组转化为线性方程组，然后采用最小二乘法进行求解。整个算法的流程图如图5所示。

如图1所示，假设（xi，yi）为接收站i的坐标（x，y）为目标声源的坐标，Ri为接收站i到目标声源的距离。通过TDOA的基础方程可知，接收站i到目标声源的距离Ri为：

其中，K=X+Y，也就是相应接收站的坐标平方和。由于在接收站中要选择一个基准站以便与其他接收站计算距离差、列出方程组.在实际实验中.将选择由最先收到声音的接收单

当TDOA测量值的个数大于未知参数的时候，就可以采用二重最小二乘法来进行进一步的计算。该算法的思想是：第一重运算得到一个初始目标声源位置，再根据这个初始解计算出第二重运算的结果，就是目标声源的最终位置坐标。由于在本系统中采用4个接收站，所以可以使用该方法来进行后续的计算，根据先前的已知条件，具体算法如下，首先根据公式（4）联立的方程组整理可得：

以上进行的是第一重最小二乘法运算，得到的结果如公式（7）所示，由于在第一重运算的过程中，将Z。的分量看成是相互独立的，但实际上R1与（x，y）有关，所以为了更加精确的计算，根据这个结果进行第二重运算，求得的结果即为最终坐标值。

4实验结果与分析

在实际实验中，单片机将测得的实时温度值、接收站的位置以及各个接收站与基站到目标声源的时间差上传至上位机，上位机将这些数据代入到算法中进行定位计算。对于算法的模拟，假设当前环境温度为20摄氏度，设置4个接收站的位置分别是（0，0），（1000，0），（1000，1000）和（0，1000），输入假定的目标声源位置（120，230），计算获得时延值并将此时延带人到算法中进行计算，算法计算得到的结果如图6所示。对于模拟实验中算法的误差，这里列出一个表格，表中是在之前假设条件的基础上，利用随机函数产生十个目标声源位置，计算出定位结果和误差，具体内容如表1所示。

5结论与展望

通过研究声源定位的实现方法，设计并实现了一套基于TDOA的声源定位装置。实验结果显示该套定位装置结构简单，在TDOA测量值比较小的时候具有很高的估计性能。由于相应的该算法的缺点是如果TDOA测量值的误差较大，算法的性能也会迅速下降，因此之后的研究可以围绕在如何提高TDOA测量精度方面进行，以保证整套装置具有更强的适应性与精确度，这也是一个很有价值的研究方向。endprint