二維聲源定向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解析

　被動式聲源定向系統(tǒng)在軍事和日常生活中的多方面有著重要的應(yīng)用。軍事中常采用傳聲器陣列初步估計(jì)目標(biāo)的方位，為雷達(dá)精確掃描提供依據(jù)；日常生活中多用于攝像頭輔助系統(tǒng)，引導(dǎo)攝像頭向聲源方向轉(zhuǎn)動，這在視頻會議中應(yīng)用較多，其他應(yīng)用還包括室內(nèi)防盜系統(tǒng)和災(zāi)害搜救設(shè)備等。近年來眾多學(xué)者對此作了大量研究，提出了多種實(shí)用性算法。王毅等人將現(xiàn)有的算法分成3類：基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)、基于高分辨譜估計(jì)技術(shù)和基于聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)，其中基于聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)具有運(yùn)算量小、精度高的特點(diǎn)，被廣泛使用。文中正是基于這一技術(shù)，采用相位匹配算法，對兩個傳聲器采集的聲音信號進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了二維聲源定向。
　　1 原理
　　1．1 聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)
　　所謂聲波到達(dá)時(shí)間差就是指聲波信號到達(dá)2個或多個傳聲器之間的時(shí)間差，利用該差值即可確定聲源的方向，文中只采用2個傳聲器，其原理如圖1所示。
　　
　　設(shè)置傳聲器1和傳聲器2之間的距離為d；聲源到達(dá)傳聲器1的角度為θ1；到傳聲器2的角度為θ2，并且聲源到兩個傳聲器中點(diǎn)C的距離遠(yuǎn)大于兩個傳聲器之間的距離d?；谶@個前提，則θ1≈θ2=θ，設(shè)聲速為c，聲波到達(dá)傳聲器2與到達(dá)傳聲器1之間的時(shí)間差為τ，則式（1）成立
　　sinθ=L／d，L=cτ （1）
　　因此
　　θ=sin-1（cτ／d） （2）
　　在式（2）中，聲速c和傳聲器1，2之間的距離d，都是已知數(shù)，只要求出聲波到達(dá)時(shí)間差τ，就可以得到聲源的方位角θ。
　　以上就是聲波到達(dá)時(shí)間差原理，時(shí)間差τ的求取方法有最小均方自適應(yīng)濾波法、廣義互相關(guān)函數(shù)法、互功率譜相位法等，文獻(xiàn)對各種方法的比較作了詳細(xì)介紹。除上述直接或間接求取時(shí)間差τ的方法外，本文采用文獻(xiàn)中的一種相位匹配算法，雖然也是基于聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)，但它不用求取時(shí)間差τ，就能得到聲源的方位角θ。
　　1．2 相位匹配算法
　　信號相位匹配的原理就是對傳聲器2輸出的信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，不同的頻率補(bǔ)償不同的相位，如果補(bǔ)償?shù)南辔坏扔谟捎诼曉捶轿唤且鸬南辔徊睿瑒t傳聲器1，2方向相同。
　　設(shè)聲波到達(dá)兩個傳聲器的時(shí)間差為τ0，傳聲器1接收到的聲波信號為
　　
　　t=（dsinθ）／c，θ在一定范圍內(nèi)以一定的精度步進(jìn)，當(dāng)E（τ）取最大值時(shí)，τ所對應(yīng)的角度θ即為聲源方位角。