一種可穿戴的聲源定位跟蹤系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陣列信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種聲源定位跟蹤系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲源定位技術(shù)在航空航天、交通、海洋探測等民用軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與主 動(dòng)探測系統(tǒng)相比，被動(dòng)聲定位裝置本身不發(fā)射信號而是利用目標(biāo)發(fā)出的聲音為接收信號， 因而具有更好的隱蔽性。戰(zhàn)場環(huán)境中，利用被動(dòng)聲定位裝置及時(shí)獲取敵方槍支、火炮或無人 機(jī)等較隱蔽的目標(biāo)位置信息，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
[0003] 由于具有重要應(yīng)用意義，聲源定位系統(tǒng)開發(fā)受到了人們的廣泛關(guān)注。專利"一種聲 源定位方法"（專利號CN1832633A)提供的聲源定位方法采用三維譜峰搜索確定聲源空間 位置，這種搜索方式計(jì)算復(fù)雜度高，無法實(shí)時(shí)定位跟蹤，且采用的麥克風(fēng)陣列體積較大，不 利于隨身攜帶。
[0004] 美國專利"WearShooterLocalizationSystem"（專利號US2012/0182834A1)設(shè) 計(jì)了一種可穿戴的槍炮聲源定位裝置，根據(jù)信號到達(dá)不同接收傳感器的時(shí)間差計(jì)算聲源位 置；專利"一種聲源定位方法及裝置"（專利號CN103076593A)中設(shè)計(jì)了一種加權(quán)交叉相關(guān) 函數(shù)的可控功率聲源定位方法，該方法本質(zhì)是通過交叉相關(guān)函數(shù)獲得聲到達(dá)時(shí)延差從而計(jì) 算聲源位置。上述專利中所涉及的定位方法均是基于聲到達(dá)時(shí)間差（TDOA)的方法，只有對 聲信號聲達(dá)時(shí)間差準(zhǔn)確測量才能保證定位的準(zhǔn)確性，易受環(huán)境噪聲的干擾，且不易實(shí)現(xiàn)空 間多目標(biāo)定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種可穿戴的聲源定位跟蹤系統(tǒng)及方法，適用于需快速檢測聲源信號 并準(zhǔn)確定位聲源位置且要求裝置簡單便攜的場合。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是包含以下部分：
[0007] (1)傳感器組件，包括麥克風(fēng)陣列和由三軸加速計(jì)、三軸陀螺儀和GPS發(fā)射接收器 組成的輔助傳感器模塊，用于接收聲信號及判斷裝置穿戴者是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其中麥克風(fēng)陣 列為十字陣列，由均勻線性子陣列A和均勻線性子陣列B構(gòu)成，兩個(gè)子陣列相互垂直，分包 含奇數(shù)個(gè)麥克風(fēng)，共用中間麥克風(fēng)并將其作為參考點(diǎn)；輔助傳感器模塊中GPS發(fā)射接收器 用于確定穿戴者和聲源的經(jīng)度和煒度地理位置坐標(biāo)；
[0008] (2)信號預(yù)處理組件，包括低噪濾波電路、增益控制電路和AD采樣電路，用于對接 受信號進(jìn)行低噪濾波、增益控制和AD采樣預(yù)處理；
[0009] (3)算法處理及定位結(jié)果顯示組件，包括DSP處理器及外圍電路、顯示電路和音頻 輸出電路，用于運(yùn)行相關(guān)算法檢測聲源數(shù)目及確定聲源位置，并顯示位置信息。
[0010] 本發(fā)明所述算法處理及定位結(jié)果顯示組件，還包括無線傳輸電路，用于將穿戴者 和聲源位置信息傳送給遠(yuǎn)程控制端。
[0011] 一種可穿戴聲源定位系統(tǒng)的定位跟蹤方法，包含如下步驟：
[0012] (1)利用麥克風(fēng)陣列接收聲信號；
[0013] (2)將接收到的聲信號進(jìn)行低噪濾波、增益控制和AD采樣等預(yù)處理，構(gòu)造麥克風(fēng) 陣列子陣列A和子陣列B的實(shí)值型樣本矩陣XjPXB:
[0016] 其中，P為子陣列A和子陣列B中麥克風(fēng)數(shù)量，p= 1，2,…，P，xAjPX%分別為子 陣列A和子陣列B中第p個(gè)傳感器的接收數(shù)據(jù)，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)制運(yùn)算；
[0017] (3)對實(shí)值型樣本矩陣XJPXb進(jìn)行希爾伯特變換，造復(fù)值型樣本矩陣&和文B:
[0020] 其中，hilbert表示對矩陣各行進(jìn)行希爾伯特變換；
[0021] (4)由聲源檢測方法檢測聲源，確定聲源數(shù)目K;
[0022] (5)由子空間定位方法確定聲源位置，并將聲源位置信息由顯示電路和音頻輸出 電路輸出；
[0023] (6)利用GPS信息將聲源相對位置轉(zhuǎn)換為所需經(jīng)度煒度信息，并通過無線傳輸模 塊將其傳送給遠(yuǎn)程控制端；
[0024] (7)由輔助傳感器模塊輸出信息判斷若定位裝置穿戴者發(fā)生運(yùn)動(dòng)，則重復(fù)步驟 (1)~（6)及時(shí)更新聲源位置以實(shí)現(xiàn)對聲源的跟蹤。
[0025] 上述方法描述的步驟（4)聲源檢測方法，具體包含如下步驟：
[0026] (4. 1)計(jì)算復(fù)值型樣本矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化處理矩陣文A :
[0027] ^=(Xij-Jj(X1))ZaiX1)
[0028] 其中i= 1，2,*"P;j= 1，2,…N，N為樣本數(shù)，％和t分別表示矩陣（和Xb的 第i行j列元素，MS)和句表示矩陣t第i行數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；
[0029] (4. 2)計(jì)算奇異值等價(jià)矩陣Z:
[0031] 其中Uh_為haar酉矩陣，上標(biāo)H表示共輒轉(zhuǎn)置；
[0032] (4. 3)計(jì)算奇異值等價(jià)矩陣Z的歸一化處理矩陣Z:
[0034] 其中^和先分別為矩陣Z和之的第i行數(shù)據(jù)，〇 (Z1)表示矩陣Z第i行數(shù)據(jù)的標(biāo) 準(zhǔn)差；
[0035] (4. 4)對歸一化處理矩陣￡進(jìn)行特征值分解獲得特征值Ig,.，計(jì)算特征值平均譜半
I，當(dāng)I監(jiān)測波形產(chǎn)生方波狀波谷時(shí)，判斷為聲源出現(xiàn)；
[0036] (4. 5)計(jì)算相對協(xié)方差矩罔S二之之"*求S的特征值A(chǔ)Si并按降序排列；
[0037] (4. 6)計(jì)算每個(gè)特征值在全部特征值中所占的比重
[0038] (4.7)計(jì)算相鄰特征值的比重差A(yù)dq=dq-dq+1，其中q= 1，2，"、卩-1，比重差的 最大值數(shù)目即為聲源數(shù)目K。
[0039] 上述方法描述的步驟（5)子空間定位方法，具體包括如下步驟：
[0040] (5. 1)由子陣列A的復(fù)值型樣本矩陣童A計(jì)算協(xié)方差矩陣1^=1勢/1
[0041] (5.2)對協(xié)方差矩陣Ra進(jìn)行特征值分解并將特征值進(jìn)行排序?yàn)锳 A1< A w <入Ap，相對應(yīng)的特征矢量為UA1,UA2,…，UAP;
[0042] (5. 3)由特征向量構(gòu)造噪聲子空間Una=[uA1,…，uMPK)]，構(gòu)造信號子空間Usa =[uMPK+1)，…，uAP];令矩陣Usa的前M-I行為Usai，矩陣Usa的后M-I行為Usa2，其中M= (P-I)/2 ；
[0043] (5. 4)構(gòu)造角度方向矩陣
[0045] 其中f表示搜索時(shí)采用的頻率參數(shù)，Q表示搜索時(shí)采用的角度參數(shù)，diag表示對 角矩陣，d為相鄰麥克風(fēng)間距，c為聲速，利用下列公式進(jìn)行角度搜索：
[0047] 其中，det表示求矩陣的行列式的值，J為2MX2M維反單位矩陣，W為任意一個(gè) 2MXK維滿秩矩陣。PeaklA(f，0 )極大值對應(yīng)的參數(shù)中！^為第k個(gè)聲源的頻率參 數(shù)，么為第k個(gè)聲源的角度參數(shù)，其中k= 1，2,…，K;
[0048] (5. 5)構(gòu)造距離方向向量
[0050]
..，m= -M, -M+1,…，M，r為待估計(jì)距離 參數(shù)，利用下列公式進(jìn)行距離搜索：
[0052] /^A'2^(r)的極大值對應(yīng)的距離&為第k個(gè)聲源的距離參數(shù)；
[0053](5.6)重復(fù)步驟（5. 1)-(5.5)處理陣列B的復(fù)值型樣本矩陣，可獲得第k個(gè)聲源的 另一組參數(shù)。根據(jù)距離估計(jì)值進(jìn)行參數(shù)配對，確定與(#m，心）為第k個(gè)聲 源位置的估計(jì)結(jié)果；
[0054] (5. 7)根據(jù)陣列幾何關(guān)系和參數(shù)與(4,4)，計(jì)算第k個(gè)聲源相對穿戴者 三維空間位置坐標(biāo)：計(jì)算公式為：
[0062] 上述步驟（5.6)中，由于子陣列A和子陣列B共用中間麥克風(fēng)陣元，同一聲源相對 于子陣A和子陣B的距離參數(shù)相等，故利用距離參數(shù)進(jìn)行聲源位置參數(shù)配對。
[0063] 本發(fā)明針對目前聲源定位系統(tǒng)體積較大不利于攜帶、定位精度低及運(yùn)算速度慢等 問題設(shè)計(jì)一種可穿戴的聲源定位跟蹤系統(tǒng)，采用特殊陣列結(jié)構(gòu)縮小裝置體積，利用隨機(jī)矩 陣特征值譜分析方法可在極少樣本下快速檢測出聲源信號，由基于子空間的定位方法及分 級搜索方式來提高目標(biāo)定位精度和運(yùn)算速度達(dá)到實(shí)時(shí)定位跟蹤的目的。
[0064] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0065] 第一、定位裝置體積小易于攜帶，采用被動(dòng)定位方法隱蔽性好；增加了輔助傳感 器，便于跟蹤目標(biāo)聲源；
[0066] 第二、提出的聲源檢測方法是基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?，與其他檢測方法相比，只需少量 樣本即可判斷出空間聲源信號，靈敏度高且實(shí)時(shí)性好；
[0067] 第三、提出的聲源定位方法是基于子空間的定位算法，與基于TDOA的定位方法相 比利于多目標(biāo)定位，提高了定位精度、空間分辨率與抗干擾能力；
[0068] 第四、采用的角度、距離參數(shù)分別搜索方式與一般三維參數(shù)定位方法中的多維搜 索相比提高了運(yùn)算速度，利于對目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位和跟蹤。
【附圖說明】
[0069] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0070] 圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)圖；
[0071] 圖3是本發(fā)明檢測方法判斷信號是否存在的示意圖，圖中麥克風(fēng)總數(shù)目為13、每 次觀測樣本數(shù)為50,在t= 1000s，t= 8000s和t= 15000s時(shí)平均譜半徑發(fā)生變化，判斷 為有聲源出現(xiàn)；
[0072] 圖4是本發(fā)明聲源k與麥克風(fēng)陣的位置關(guān)系示意圖；
[0073] 圖5是本發(fā)明聲源k位置視覺顯示設(shè)計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0074] 1、本發(fā)明提供的定位跟蹤系統(tǒng)裝置模塊示意圖如圖1所示，定位跟蹤系統(tǒng)包括傳 感器組件、信號預(yù)處理組件和算法處理及定位結(jié)果顯示組件；
[0075] (1)傳感器組件，包括麥克風(fēng)陣列和由三軸加速計(jì)、三軸陀螺儀和GPS發(fā)射接收器 組成的輔助傳感器模塊，用于接收聲信號及判斷裝置穿戴者是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)。其中麥克風(fēng)陣 列為十字陣列，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由麥克風(fēng)A-3、A-2、A-1、0、AUA2、A3構(gòu)成子陣列 八，由麥克風(fēng)8-3、8-2、8-1、0、81、82、83構(gòu)成子陣列8，相鄰麥克風(fēng)間距為(1 = 2〇11，兩個(gè)子 陣列相互垂直，共用中間麥克風(fēng)并將其作為參考點(diǎn)。輔助傳感器模塊中GPS發(fā)射接收器用 于確定穿戴者和聲源的經(jīng)度和煒度地理位置坐標(biāo)；
[0076] (2)信號預(yù)處理組件，包含增益控制電路、低噪濾波電路和AD采樣電路，用于控制 接收信號的幅值、濾除部分噪聲及將接收的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0077] (3)算法處理及定位結(jié)果顯示組件，包括DSP處理器及外圍電路、顯示電路、音頻 輸出電路和無線傳輸電路，用于運(yùn)行檢測算法判斷聲源出現(xiàn)及確定聲源數(shù)目，運(yùn)行定位算 法確定聲源位置、顯示及傳輸位置信息。其中DSP處理器及外圍電路主要對數(shù)字信號進(jìn)行 處理運(yùn)算，由檢測算法判斷聲源有無、估計(jì)聲源數(shù)目，由定位算法確定信號頻率和聲源位置 參數(shù)，并結(jié)合輔助傳感器信息對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤以及目標(biāo)相對位置和絕對位置的轉(zhuǎn)換。 顯示電路和音頻輸出電路用于輸出聲源位置信息。無線傳輸電路用于將穿戴者和聲