声源定位系统毕业设计论文

声源定位系统毕业设计论文0 前言声音是我们所获取的外界信息中非常重要的一种。

不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，人们可以判断出物体相对于自己的方位。

有些应用场合，人们需要用机器来完成声音定位这个功能，并且往往要求定位精度比较高。

2003年的美伊战争期间，人民网、CCTV网站的军事频道、国防在线等网站均报道了装配于美军的狙击手探测技术，这项技术其中一部分就包含了声源定位技术。

声源定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是：1）不受通视条件限制。

可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源。

2）隐蔽性强。

声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强。

3）不受能见度限制。

其他侦察器材受环境气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。

声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点。

以下对美军装备的报道来自于《“巴格达之战”考验英军巷战武器装备》一文，该文刊登于2003年4月8日国防在线美伊战争专题。

“狙击手声测定位系统通过接收并测量膛口激波和弹丸飞行产生的冲击波来确定狙击手的位置，通常仅能探测超音速弹丸。

这种系统有单兵佩挂型、固定设置型和机动平台运载型。

美国BBN系统和技术公司的声测系统，通过测量弹丸飞行中的声激波特性来探测弹丸并进行分类。

该系统为固定设置型，采用2个置于保护区两侧的传声器阵列或6个分布在保护区内的单向传声器。

传声器通过电缆或射频链路与指挥节点相连。

为了准确定位，需事先确定传声器的距离，精度要在1米以内。

该系统可探测到90％的射击，定位精度为方位 1.2°、水平3°。

此外，美国的“哨兵”和“安全”有效控制城区环境安全系统均是采用声测定位技术的反狙击手系统。

美军这一套声源定位系统通过定位弹丸产生的特殊激波和冲击波，探测出狙击手的位置，在战场上有效保护战士生命。

而在民用方面，声源定位系统也有广阔的应用前景。

试设想一下未来的可视电话，如果在电话上装上声源定位系统，实时探测出人说话的方位，则我们可以控制可视电话的摄像头跟踪移动的说话人。

无论人在屋里的哪一个角落，摄像头始终都可以将人拍在图像正中间。

这样，我们可以在任意的位置使用固定安装的视频电话。

由于人在使用这种视频电话时可以自由活动，势必使得电话交流更加生动有趣。

而使用这种可视电话来进行视频会议将给与会者带来很大的方便。

声音给人们带来了方便，丰富了人们的生活。

而对声源位置的确定能给大家有效的利用声音提供帮助。

事实证明，声源定位系统是一个很有意义的研究课题。

近年来，随着嵌入式系统数据处理能力越来越强，使用它来构建小型声源定位系统已经现实。

但是，现在市面上还很少有这样的成品。

其主要受限制于声源定位对数据采集的特殊要求，一般的定位系统少则几个采集通道，多则十几个甚至几十个采集通道，而且各通道之间要保持同步采集。

现在比较流行的定位系统都使用传声器阵列，一般使用8个以上的传声器，也就需要8通道以上的同步采集设备与之相配。

本论文的工作主要是根据声源定位系统对数据采集的要求，开发了一个数据采集系统，并在此基础上构建了一个声源定位系统，然后尝试了一种定位算法，试图发现并解决一些声源定位系统实用化中存在的问题。

1 声源定位系统简介1.1 系统设计要求及步骤1.1.1 设计要求本次设计的系统需要具备如下设计要求：1）声源定位区域为60cm*60cm的正方形；2）声源频率在3±1kHz左右；3）声源定位误差在±5cm以内；4）能够显示定位坐标；5）功耗低、性价比高。

1.1.2 设计步骤1）总体方案的选择、分析、论证，并画出系统的结构框图；2）硬件电路设计并进行硬件焊接；3）软件编程；4）进行调试；5）逐步修改，将所需的功能完全实现。

1.2 系统方案选择与论证1.2.1 声源定位原理方案一：仿人双耳的声源定位原理。

人是我们最熟悉的一个声源定位系统，人的两只耳朵是这个系统的主角。

由于耳廓具有非常特殊的形状，声音经过耳廓的处理后，大脑只需要根据两只耳朵所接收到的声音强度就能大致定位某一个声源的位置。

国外科学家把人的头部用球的模型来近似，在球相对的两极各安装一个传声器，给出了两耳功能的解析方程能够有效的定位声音的方向。

然而要模拟制作出耳廓这样具有特殊结构的传感器是比较费劲的。

方案二：基于到达时间差的声源定位原理。

人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。

由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音录制的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值。

如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时间差，合适的安排传声器的位置，可以使得双曲面的交点只有一个，这个点就是我们要的声源位置。

大多数声源定位是基于到达时间差的方法，提高对到达时间差估计的准确程度是这种方法的关键。

基于以上分析，选择方案二，采用基于到达时间差的声源定位原理。

1.2.2 处理器模块根据题目要求，处理器模块主要用于对传声器传输的声源信号进行接收、计算声源坐标、以及显示声源坐标。

对于处理器的选择有以下两种方案。

方案一：采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器，由于FPGA将所有的器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本次设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。

方案二：采用通用型STC89C52单片机作为系统的主控制器。

由于单片机的算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，因此非常适合利用单片机作为控制器。

基于以上分析，选择方案二，采用STC89C52单片机作为处理器。

1.2.3 显示模块方案一：采用数码管显示。

数码管具有低功耗、耐老化和精度比较高等优点，但数码管与单片机连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，使用三极管进行驱动等，电路连接相对比较复杂。

此外，数码管只能显示少数的几个字符，显示内容较少，基本上无法显示汉子。

方案二：采用LCD进行显示。

液晶显示屏（LCD）具有低功耗、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，分辨率高、抗干扰能力强、显示内容多等特点。

并且，液晶显示器与单片机可直接相连，电路设计及连接简单。

基于以上分析，采用方案二，选择液晶1602进行显示。

1.2.4 传声器模块方案一：采用超声波接收探头作为声源接收电路的核心器件。

但是超声波探头检测音频的灵敏度较低，且成本较高。

方案二：采用驻级话筒。

接收器由驻极话筒进行接收，然后经过放大器将微弱的声源信号放大，在经过带通滤波器滤除不需要的音频信号，并进行整形后输入单片机进行运算和处理。

本方案具有检波容易、功耗低、性价比高的特点。

基于以上分析，采用方案二。

1.2.5 电源模块方案一：采用普通电池做电源，输出的直流电后经多个稳压器得到理想的不同伏值的直流电压。

采用该方法做电源，输出电流能力大、移动方便。

缺点是直流电流放电受自身影响大，放电时间受限不便长时间工作，而且价格较贵，不符合本次设计的特征要求。

方案二：采用三端稳压集成电路。

变压器降压后经过桥式整流、滤波，再经过三端稳压器得到直流电源。

这一电路实现简单、灵活，而且可长时间工作，符合本次设计要求。

基于以上分析，采用方案二，选择集成稳压电源输出直流电。

1.3 研究现状现今使用的声源定位算法基本基于以上两种种声源定位原理。

国际上经过多年的研究，声源定位算法已经比较的成熟，已经有一些实际可用的定位系统。

现在比较热门的方法是使用传声器阵列的定位方法，更为深入的研究除了能对单个静止声源定位外，还可以对多个声源定位。

而国内在这方面的研究就比较的匮乏。

有人用物理手段来测量声音到达各传感器的时间差，例如使用自制的时差测量物理装置在一个固体媒质平面上进行声源定位。

一些人概括了传声器阵列定位方法，并就其中一种定位方法给出了实验结果，实验结果只有2组数据，过于简单，而且只限于确定声音方向与传声器阵列的夹角，没有给出声源位置的完整空间位置描述。

因此，我们决定建立一个实际可用的能确定平面空间中声源位置的声源定位系统，把我们的研究更推进一步。

不论何种声源定位原理，都需要分析两个或多个传声器对同一段声音采集的差别，根据这个差别得出定位结果。

这要求对声音进行同步采集，也就是要使用同一个采样脉冲序列对多个传声器拾取的声音信号进行量化。

根据理论的推算，各路声音采集的同步误差要限制在微秒级别，才不至于太影响定位结果。

另外。

声源定位系统如果要实现对运动声源的定位，就要求数据同步采集系统能实时的将采集数据传输至处理器供定位程序使用，其最大能容忍的传输延迟由运动声源的运动速度决定。

而定位系统要在平面空间中定位声源，一般采用3个独立的传声器或者多个传声器阵列，这要求采集系统至少要有3个以上的采集通道，由于定位算法对声源定位系统中声音数据的采集提出了特殊的要求，建立实用的声源定位系统的关键是要使得数据采集能满足算法要求。

为此，采用三块具有放大、滤波、整形的传声器对声源进行同步采集，并实时的将数据传输到处理器，这样，就组成了一个3路同步声音采集系统，最后加上处理器上的声源定位程序，就组成了一个完整的声源定位系统。

2 声源定位系统硬件设计2.1 硬件设计简介本系统所要完成的工作是：三点麦克风阵列负责采集声源信号；声源信号经过放大、滤波和整形传送给单片机；单片机根据得到的信号进行数据处理和分析；计算出声源坐标后显示在液晶上，整个过程由三端稳压集成电路供电。

本设计的主要设计目标：1）声源采集范围：60cm*60cm 的正方形区域；2）带通滤波器通频带宽：±3kHz ±1kHz ；3）声源定位误差：x e ＜5cm ，y e ＜5cm ；简单的系统组成原理如图2-1所示。

当声源在设定区域内产生时，三点麦克风阵列依次采集到声音信号，经过各自的放大、滤波、整形后，经由输入接口送到单片机内部，单片机对传来的信号进行处理后，得到声源坐标，并将坐标显示在液晶上。

整个过程由三端稳压集成电源提供电能。

声源麦克风阵列放大、滤波、整形输入接口单片机显示电源图2-1系统组成原理图Fig.2-1 System composition principle diagram系统的工作过程是：首先，三点麦克风阵列分别固定在60cm*60cm 正方形区域的三个顶点。