基于嵌入式的麦克风阵列声源定位系统算法研究

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1、密级无分类号ＴＮ９２９．１ｍ＇ＡＮ．ＸＩＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕士学位论文基于嵌入式的麦克风阵列声源定位系统算法研究作者：张坤指导教师：雷斌副教授申请学位学科：通信与信息系统２０１８年５月１５日密级无分类号TN929.1XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY硕士学位论文题目:基于嵌入式的麦克风阵列声源定位系统算法研究作者：张坤指导教师：雷斌副教授申请学位学科：通信与信息系统2018年5月15日基于嵌入式的麦克风阵列声源定位系统算法研究学科：通信与信息系统研究生签字：指

2、导教师签字：摘要基于麦克风阵列的声源定位技术通过麦克风阵列采集目标声源信号，对信号进行阵列处理得出各路声特征，结合声源定位算法得到声源的位置信息。这种定位技术是一种基于被动目标定位原理的定位技术，与雷达和声呐定位相比，该技术具有更好的隐蔽性和安全性。目前，该技术已被广泛应用于军事领域和生活领域，如狙击手定位、无人机定位、视频会议和智能音响等。本文以移动声源和空中炸点等低小慢目标为对象，研究了目前常用的几种声源定位算法，分析了它们的差异和各自的优缺点。最后，搭建了一套基于嵌入式的声源定位系统，利用PHAT广义互相关算法以及改进的多重信号分类（MultipleSigna

3、lClassification，MUSIC）算法实现了对炸点和移动声源的实时定位。主要研究内容包括以下几个方面：（1）分析了目常用的三种麦克风阵列声源定位算法的优缺点以及它们各自的适用场景，选择出适用于本文研究的目标声源特征的算法。（2）分析了目标声源的时频特性、不同声场下的阵列信号处理模型以及麦克风个数、阵元间距、多径及多普勒效应对声源定位精度的影响。（3）在基于到达时间差（TDOA）的定位算法方面，研究了几种常用的时延估计算法，如基本互相关算法、广义互相关算法和互功率谱相位法等。通过MATLAB对各个算法进行验证与分析，比较它们在不同噪声下的时延估计精度。最后分

4、析了五元线阵和五元金字塔阵的几何定位算法，推导出它们的定位公式。（4）在基于高分辨率谱估计的定位算法方面，分析了利用经典MUSIC算法对声源方位角估计的实现步骤。并且，针对远场单声源引入一种改进的MUSIC算法。最后，在不同的实验条件下，通过MATLAB对经典MUSIC算法和改进的MUSIC算法进行验证与分析。（5）整体的系统设计与实现，包括硬件平台的的搭建以及MATLAB程序设计。利用X86嵌入式单板、麦克风阵列和外置USB声卡搭建一套声源定位系统。（6）结合PHAT广义互相关算法，运用五元线阵和五元金字塔阵分别对远场炸点的方位角与三维坐标的进行定位。结合改进的M

5、USIC算法，运用五元线阵对远场移动单频正弦信号的进行方位角估计。最后通过搭建的实验平台，在实际环境中进行了多次的实验。实验结果表明：在噪声较小的环境下，PHAT广义互相关算法和改进的MUSIC算法能够对目标声源实现较好的定位效果。关键词：声源定位；麦克风阵列；时延估计；MUSIC算法ResearchonAlgorithmoftheMicrophoneArraySoundSourceLocalizationSystemBasedonEmbeddedProcessorDiscipline:CommunicationandInformationsystemStudent

6、Signature:SupervisorSignature:AbstractThesoundsourcelocalizationtechnologybasedonmicrophonearraycollectsthetargetsoundsourcesignalthroughthemicrophonearray,performsarrayprocessingonthesignaltoobtaineachroadsoundfeature,andcombinesthesoundsourcelocalizationalgorithmtoobtainthepositionin

7、formationofthesoundsource.Thislocationtechnologyisalocationtechnologybasedontheprincipleofpassivetargetpositioning.Comparedwithradarandsonarlocalization,thistechnologyhasbetterconcealmentandsecurity.Atpresent,thetechnologyhasbeenwidelyusedinthefieldofmilitaryandlife,suchassniperposit