CN106851011B - 一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法;该方法首先将n部手机以固定间隔部署成线阵,建立网络通信并测量手机之间的距离;当目标发出声信号时,同时打开所有n部手机的麦克风,开始录制目标声源的音频信号;然后录下基手机播放的chirp信号后关闭麦克风;采用广义互相关的方法来检测所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻;再同步n部手机所录到的n段目标声源信号;最后采用阵列信号处理方法将同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计,估计目标的方位角。本发明具有易快速部署,成本低以及波达角估计精度比较高的特点,在低空无人机检测,野外救助等领域具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种波达角估计声阵列系统,尤其涉及一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法。
背景技术
近年来,随着社会的发展和科技的进步,人们对准确的位置信息的需求越来越多,对于定位技术的研究受到广泛的关注。声信号作为日常生活中易获得的一种信息,正成为定位技术的一个研究热点。而基于麦克风的声阵列技术作为声信号定位技术的一个重要分支,是我们关注的研究点。目前高质量的定制声阵列设备对于角度的估计已经达到较高的精度,但由于其制作成本较高,部署较难且迟缓,难以迅速推广使用。
另一方面,近年来智能手机强大的信息处理能力、完善的硬件配置及低成本特征使其成为了生活中不可或缺的设备。考虑到智能手机拥有麦克风、扬声器及无线模块等基本固件,可以将其应用到声阵列的定向实验中。目前部分学者对其进行了深入研究,针对手机阵列的关键问题—时钟同步,通过对带操作系统的智能手机阵列进行内核和驱动的修改,来解决智能手机之间的时钟不同步问题,但对于内核和驱动需要专门的技术进行修改,在用户层面不易操作,缺乏普适性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,该系统的实现主要包括以下步骤:
(1)将n部手机以固定间隔部署成线阵,并测量手机之间的距离,n为大于等于2的正整数;
(2)在同一个局域网内,所述n部手机建立网络通信,从n部手机中任意选取一部作为基手机,作为控制端;当目标发出声信号时,由基手机发出指令,同时打开所有n部手机的麦克风,并开始录制目标声源的音频信号;
(3)经步骤(2)录下一段预设长度的目标声源的音频信号后,基手机播放时间长度为t,频率在3KHz~8KHz的chirp信号,t为30ms-70ms;n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风,基手机发送指令,控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号;
(4)采用广义互相关的方法来检测步骤(3)所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻;
(5)由步骤(1)中所测手机之间的距离,计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差,利用后事件同步及RBS的同步机制,通过采样点计数的方法,以步骤(3)中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准,对齐n段chirp信号,即同步n部手机所录到的n段目标声源信号;
(6)采用阵列信号处理方法将步骤(5)同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计,估计目标的方位角;
所述步骤(1)中,所述固定间隔为阵元间隔,所述阵元间隔小于目标声源波长的一半。智能手机Si的扬声器到智能手机Sj的麦克风的距离定义为
进一步地,所述步骤(2)中,所述局域网由路由器建立,为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号为宽带音频信号。
进一步地,所述步骤(2)和步骤(3)中,每部手机录制的音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。
进一步地,所述步骤(4)具体为,假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x1(t)=s(t)+n1(t)和x2(t)=s(t-τ*)+n2(t),其中s(t)为原始chirp信号,τ*为传播时延,n1(t)和n2(t)为加性高斯白噪声,互不相关,且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术,其中,表示信号x1(t)和x2(t)的互相关表示,其中E[·]代表互相关运算,Rss(τ-τ*)表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果,τ为时间变量。由于互相关值Rss(τ-τ*)≤0,因此当τ=τ*时得到广义互相关的最大值,对应的时间τ即为τ*的时延估计,从而检测到chirp信号到达时刻。
进一步地,所述步骤(5)具体为:根据测量得到由为智能手机Si相对手机Sj的所录同一信号由距离产生的时间延迟,c为声速,由公式可以计算出即手机Si相对手机Sj由于时延产生的采样点的偏差,其中fs为手机的采样频率,为44.1KHz,从而利用采样点的偏差和权利要求5中的检测的到达时刻,实现目标音频信号的时钟同步。
进一步地,所述步骤(6)中:根据步骤(5)的n段目标声源信号,采用鲁棒性较高的超分辨率MUSIC阵列信号处理方法来实现波达角的估计。
本发明的有益效果是,本发明无需依靠定制声阵列设备,仅仅依靠智能手机自带的麦克风、扬声器和处理器,通过WiFi建立通信,即可快速部署,实现目标声源的波达角估计,克服了传统设备成本较高以及部署困难且缓慢的劣势。同时区别于传统的时钟同步交换时间戳的同步方式,采用后事件及RBS同步机制,实现了规避涉及操作系统且易于普及的简易时钟同步,通过实际系统实验验证,在25m*40m的室外操场上,当目标距离阵元为25m时,在各个方向上,宽带信号的角度估计误差在90%概率下达到4.5度以下,保证了较高的估计精度。
附图说明
图1为本发明的系统实验布局示意图;
图2为本发明的系统两部手机之间尺寸量测示意图;
图3为本发明的广义互相关算法示意图;
图4为本发明的信号处理流程图;
图5为本发明的软件架构图;
图6为本发明的宽带信号波达角估计累积误差概率密度分布图。
具体实施方式
本发明是基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,具体信号处理流程和软件架构流程如图4和图5所示。首先当目标声源事件发生后,基手机通过WiFi以及预先写好的网络控制程序控制n部安卓智能手机录制目标声源的音频信号,录完预设的时间后,麦克风依旧处于开启状态,直到基手机控制自身打开扬声器发出chirp信号,并由n部手机录下chirp音频信号,然后基手机控制所有手机关闭麦克风并上传n段音频信号至服务器,服务器通过运行广义互相关算法,检测chirp信号的到达时刻。并通过预先测量的手机之间的距离参数,基于后事件及RBS同步机制,消除同步偏差,得到同步的目标声源信号。最后运行超分辨率MUSIC阵列信号处理算法,在线处理得到目标声源波达角的估计值。
本发明基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,包括以下步骤:
1、将n部手机以固定间隔部署成线阵,如图1所示,并测量手机之间的距离,n为大于等于2的正整数。
所述固定间隔为:所述阵元间隔要求小于目标声源波长的一半。智能手机Si的扬声器到智能手机Sj的麦克风的距离定义为如图2所示为两部智能手机之间的距离示意图以及智能手机固有尺寸。
2、在同一个局域网内,所述n部手机建立网络通信,从n部手机中任意选取一部作为基手机,作为控制端,软件控制架构如图5所示;当目标发出声信号时,由基手机发出指令,同时打开所有n部手机的麦克风,并开始录制目标声源的音频信号。
所述局域网由路由器建立,为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号一般为宽带音频信号。
3、在步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后,基手机播放时间长度为t,频率在3KHz~8KHz的chirp信号,t为30ms-70ms;n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风,基手机发送指令,控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号。
所述步骤2、步骤3中,每部手机录制了一段音频信号,该段音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。
4、采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻。
所述步骤4具体中,如图3所示。假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x1(t)=s(t)+n1(t)和x2(t)=s(t-τ*)+n2(t),其中s(t)为原始chirp信号,τ*为传播时延,n1(t)和n2(t)为加性高斯白噪声,互不相关,且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术,其中,表示信号x1(t)和x2(t)的互相关表示,其中E[·]代表互相关运算,Rss(τ-τ*)表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果,τ为时间变量。由于互相关值Rss(τ-τ*)≤0,因此当τ=τ*时得到广义互相关的最大值,对应的时间τ即为τ*的时延估计,从而检测到chirp信号到达时刻。
5、由步骤1中所测手机之间的距离,计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差,利用后事件同步及RBS的同步机制,通过采样点计数的方法,以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准,对齐n段chirp信号,即同步n部手机所录到的n段目标声源信号。
所述步骤5具体为:根据测量得到由为智能手机Si相对手机Sj的所录同一信号由距离产生的时间延迟,c为声速,由公式可以计算出即手机Si相对手机Sj由于时延产生的采样点的偏差,其中fs为手机的采样频率,为44.1KHz,从而利用采样点的偏差和步骤4中的相对到达时刻,实现目标音频信号的时钟同步。
在信号处理流程中如图4所示,涉及到快速傅里叶变换,快速傅里叶反变换,FIR滤波,降采样等通用信号处理技术,目的是提高波达角估计的准确性以及稳定性。
6、采用阵列信号处理方法将步骤5时钟同步后的n段音频信号进行波达角估计,估计目标的方位角。采用鲁棒性较高的超分辨率方法MUSIC(Multiple SignalClassification)来实现波达角的估计。即以下公式:
R=E[x(t)xH(t)]
其中,是方向向量,A=[a(θ1),a(θ2),…,a(θk)]是阵列流型矩阵,n(t)是加性高斯白噪声,R是协方差矩阵,US、UN分别为信号子空间和噪声子空间,它们各自特征向量对应的特征值组成的对角矩阵为ΣS、ΣN,PMUSIC(θ)为谱峰搜索函数。
实施例:
下面以四部安卓手机为例,具体介绍本发明的实现过程。
本发明基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,该方法包括以下步骤:
1、如图1所示,将四部安卓智能手机(S1、S2、S3、S4)以固定间隔部署成线阵,并测量四部手机之间的距离
所述固定间隔为阵元间隔,阵元间隔要求小于目标声源波长的一半。所述手机之间的距离为S1手机扬声器到S1手机麦克风的距离S1手机扬声器到S2手机麦克风的距离S1手机扬声器到S3手机麦克风的距离S1手机扬声器到S4手机麦克风的距离如图2所示为S1手机和S2手机之间的距离示意图。
2、在同一个局域网内,四部手机建立网络通信,当目标发出声信号时,由基手机发出指令,基手机为四部手机中任意一部,如S1手机,作为控制端,软件控制架构如图5所示,同时打开四部手机的麦克风,并开始录制目标声源的音频信号
所述局域网由路由器建立,为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号一般为宽带音频信号。
3、在步骤2录下一段预设长度的目标声信号后,基手机播放长度为50ms,频率在3KHz~8KHz的chirp信号,四部手机录下该chirp信号,此时关闭麦克风,基手机发送指令,控制四部手机通过局域网向服务器传输四段录制的音频信号。
所述步骤2、步骤3中,每部手机包含一段音频信号,该段音频信号由目标声信号和chirp信号组成
4、采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻。
所述步骤4中,如图3所示。假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x1(t)=s(t)+n1(t)和x2(t)=s(t-τ*)+n2(t),其中s(t)为原始chirp信号,τ*为传播时延,n1(t)和n2(t)为加性高斯白噪声,互不相关,且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术,其中,表示信号x1(t)和x2(t)的互相关表示,其中E[·]代表互相关运算,Rss(τ-τ*)表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果,τ为时间变量。由于互相关值Rss(τ-τ*)≤0,因此当τ=τ*时得到广义互相关的最大值,对应的时间τ即为τ*的时延估计,从而检测到chirp信号到达时刻。
5、由步骤1中所测手机之间的距离,计算chirp信号到达基手机和到达其余三部手机的时间差,利用后事件同步及RBS的同步机制,通过采样点计数的方法,以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准,对齐四段chirp信号,即同步四部手机所录到的四段目标声源信号。
所述步骤5具体为:根据测量得到由为智能手机Si相对手机Sj的所录同一信号由距离产生的时间延迟,c为声速, 由公式可以计算出即手机Si相对手机Sj由于时延产生的采样点的偏差, 其中fs为手机的采样频率为44.1KHz,为第Si部手机的采样点数,从而利用采样点的偏差和步骤4中的相对到达时刻,实现目标音频信号的时钟同步。
在信号处理流程中如图4所示,涉及到快速傅里叶变换,快速傅里叶反变换,FIR滤波,降采样等通用信号处理技术,目的是提高波达角估计的准确性以及稳定性。
6、采用阵列信号处理方法将步骤5时钟同步后的四段音频信号进行波达角估计,估计目标的方位角。采用鲁棒性较高的超分辨率方法MUSIC来实现波达角的估计。即以下公式:
R=E[x(t)xH(t)]
其中,是方向向量,A=[a(θ1),a(θ2),…,a(θk)]是阵列流型矩阵,n(t)是加性高斯白噪声,R是协方差矩阵,US、UN分别为信号子空间和噪声子空间,它们各自特征向量对应的特征值组成的对角矩阵为ΣS、ΣN,PMUSIC(θ)为谱峰搜索函数。
如图6所示,对本发明的波达角估计性能进行分析,在25m*40m的室外操场上,当目标距离阵元为25m时,在各个方向上如图1所示,宽带信号的角度估计误差在90%概率下达到4.5度以下,保证了较高的估计精度。本发明作为新颖的基于智能手机的声阵列波达角估计平台,在低空间无人机侦查,野外救助等领域具有很大的应用前景。
Claims (6)
1.一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,其特征在于,该系统的实现主要包括以下步骤:
(1)将n部手机以固定间隔部署成线阵,并测量手机之间的距离,n为大于等于2的正整数;
(2)在同一个局域网内,所述n部手机建立网络通信,从n部手机中任意选取一部作为基手机,作为控制端;当目标发出声信号时,由基手机发出指令,同时打开所有n部手机的麦克风,并开始录制目标声源的音频信号;
(3)经步骤(2)录下一段预设长度的目标声源的音频信号后,基手机播放时间长度为t,频率在3KHz~8KHz的chirp信号,t为30ms-70ms;n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风,基手机发送指令,控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号;
(4)采用广义互相关的方法来检测步骤(3)所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻;
(5)由步骤(1)中所测手机之间的距离,计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差,利用后事件同步及RBS的同步机制,通过采样点计数的方法,以步骤(3)中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准,对齐n段chirp信号,即同步n部手机所录到的n段目标声源信号;
(6)采用阵列信号处理方法将步骤(5)同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计,估计目标的方位角;所述步骤(1)中,所述固定间隔为阵元间隔,所述阵元间隔小于目标声源波长的一半;智能手机Si的扬声器到智能手机Sj的麦克风的距离定义为
2.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,其特征在于,所述步骤(2)中,所述局域网由路由器建立,为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络;所述目标声源的音频信号为宽带音频信号。
3.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,其特征在于,所述步骤(2)和步骤(3)中,每部手机录制的音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。
4.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,其特征在于,所述步骤(4)具体为,假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x1(t)=s(t)+n1(t)和x2(t)=s(t-τ*)+n2(t),其中s(t)为原始chirp信号,τ*为传播时延,n1(t)和n2(t)为加性高斯白噪声,互不相关,且与原始信号s(t)相互独立;采用广义相关技术,其中,表示信号x1(t)和x2(t)的互相关表示,其中E[·]代表互相关运算,Rss(τ-τ*)表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果,τ为时间变量;由于互相关值Rss(τ-τ*)≤0,因此当τ=τ*时得到广义互相关的最大值,对应的时间τ即为τ*的时延估计,从而检测到chirp信号到达时刻。
5.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,其特征在于,所述步骤(5)具体为:根据测量得到由 为智能手机Si相对手机Sj的所录同一信号由距离产生的时间延迟,c为声速,由公式可以计算出即手机Si相对手机Sj由于时延产生的采样点的偏差,其中fs为手机的采样频率,为44.1KHz,从而利用采样点的偏差和步骤 (4) 中 的检测的到达时刻,实现目标音频信号的时钟同步。
6.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法,其特征在于,所述步骤(6)中:根据步骤(5)的n段目标声源信号,采用鲁棒性较高的超分辨率MUSIC阵列信号处理方法来实现波达角的估计。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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