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二维声源定向系统设计方案解析
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2017-10-20
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被动式声源定向系统在军事和日常生活中的多方面有着重要的应用。军事中常采用传声器阵列初步估计目标的方位，为雷达精确扫描提供依据；日常生活中多用于摄像头辅助系统，引导摄像头向声源方向转动，这在视频会议中应用较多，其他应用还包括室内防盗系统和灾害搜救设备等。近年来众多学者对此作了大量研究，提出了多种实用性算法。王毅等人将现有的算法分成3类：基于最大输出功率的可控波束形成技术、基于高分辨谱估计技术和基于声波到达时间差技术，其中基于声波到达时间差技术具有运算量小、精度高的特点，被广泛使用。文中正是基于这一技术，采用相位匹配算法，对两个传声器采集的声音信号进行分析，实现了二维声源定向。
1 原理
1．1 声波到达时间差技术
所谓声波到达时间差就是指声波信号到达2个或多个传声器之间的时间差，利用该差值即可确定声源的方向，文中只采用2个传声器，其原理如图1所示。
设置传声器1和传声器2之间的距离为d；声源到达传声器1的角度为θ1；到传声器2的角度为θ2，并且声源到两个传声器中点C的距离远大于两个传声器之间的距离d。基于这个前提，则θ1≈θ2=θ，设声速为c，声波到达传声器2与到达传声器1之间的时间差为τ，则式（1）成立
sinθ=L／d，L=cτ （1）
因此
θ=sin-1（cτ／d） （2）
在式（2）中，声速c和传声器1，2之间的距离d，都是已知数，只要求出声波到达时间差τ，就可以得到声源的方位角θ。
以上就是声波到达时间差原理，时间差τ的求取方法有最小均方自适应滤波法、广义互相关函数法、互功率谱相位法等，文献对各种方法的比较作了详细介绍。除上述直接或间接求取时间差τ的方法外，本文采用文献中的一种相位匹配算法，虽然也是基于声波到达时间差技术，但它不用求取时间差τ，就能得到声源的方位角θ。
1．2 相位匹配算法
信号相位匹配的原理就是对传声器2输出的信号进行相位补偿，不同的频率补偿不同的相位，如果补偿的相位等于由于声源方位角引起的相位差，则传声器1，2方向相同。
设声波到达两个传声器的时间差为τ0，传声器1接收到的声波信号为
t=（dsinθ）／c，θ在一定范围内以一定的精度步进，当E（τ）取最大值时，τ所对应的角度θ即为声源方位角。
1 原理
1．1 声波到达时间差技术
所谓声波到达时间差就是指声波信号到达2个或多个传声器之间的时间差，利用该差值即可确定声源的方向，文中只采用2个传声器，其原理如图1所示。
设置传声器1和传声器2之间的距离为d；声源到达传声器1的角度为θ1；到传声器2的角度为θ2，并且声源到两个传声器中点C的距离远大于两个传声器之间的距离d。基于这个前提，则θ1≈θ2=θ，设声速为c，声波到达传声器2与到达传声器1之间的时间差为τ，则式（1）成立
sinθ=L／d，L=cτ （1）
因此
θ=sin-1（cτ／d） （2）
在式（2）中，声速c和传声器1，2之间的距离d，都是已知数，只要求出声波到达时间差τ，就可以得到声源的方位角θ。
以上就是声波到达时间差原理，时间差τ的求取方法有最小均方自适应滤波法、广义互相关函数法、互功率谱相位法等，文献对各种方法的比较作了详细介绍。除上述直接或间接求取时间差τ的方法外，本文采用文献中的一种相位匹配算法，虽然也是基于声波到达时间差技术，但它不用求取时间差τ，就能得到声源的方位角θ。
1．2 相位匹配算法
信号相位匹配的原理就是对传声器2输出的信号进行相位补偿，不同的频率补偿不同的相位，如果补偿的相位等于由于声源方位角引起的相位差，则传声器1，2方向相同。
设声波到达两个传声器的时间差为τ0，传声器1接收到的声波信号为
t=（dsinθ）／c，θ在一定范围内以一定的精度步进，当E（τ）取最大值时，τ所对应的角度θ即为声源方位角。
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