CN109151672A - 基于列阵麦克风的声源跟踪系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

基于列阵麦克风的声源跟踪系统及其控制方法，包括，包括列阵麦克风，滤波放大电路、单片机、旋转云台和编码器；使用时，先用阵列麦克风进行拾音；麦克风拾音信号通过频率采样滤波器处理；然后经过处理的信号通过单片机的ADC进行采样；最后采样结束之后对采样数据进行DOA估计，把估计出来的角度与当前云台的角度比较，来确定是否转动云台以及转动方向，从而使摄像头或者高指向性麦克风对准声源；本发明具有跟踪准确的优点。

Description

基于列阵麦克风的声源跟踪系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及声源跟踪技术领域,特别涉及基于列阵麦克风的声源跟踪系统及其控制方法。

背景技术

现有技术中，在传统的阵列信号处理中，主要处理的是窄带信号，窄带信号是指带宽远远小于中心频率的信号，并且假设信号源位于阵列的远场，因此可以使用平面波传播理论，认为信号平行入射，各阵元接收到的信号之间没有幅度差异，只存在传播延时造成的相位差异传统阵列信号处理的模型与算法都是建立在窄带信号的条件下，可是语音信号的频率范围为300-3400Hz，带宽较大，所以不能对语音信号直接进行处理。

现有的声源跟踪系统通过传统的列阵信号，显示声源信号的采集，其缺点不能实现声源的准确定位跟踪。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了基于列阵麦克风的声源跟踪系统及其控制方法，能够估计出声源的来波方位，从而实现目标的实时跟踪，目标相关特征的去噪提取的功能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于列阵麦克风的声源跟踪系统，包括列阵麦克风，滤波放大电路、单片机、旋转云台和编码器；

所述的列阵麦克风的拾音信号传递给滤波放大电路；

所述的滤波放大电路通过滤波，放大，加偏置之后传递到单片机的六通道ADC进行采样；

所述的单片机的中央处理器将计算出来的角度通过串口模块发送指令给编码器，控制转动旋转云台。

进一步的，所述的列阵麦克风采用一定数目的麦克风按照阵列流型放置在空域中，对空域信号进行采样，得到信源的空域采样数据并进行处理。

进一步的，所述的单片机的中央处理器将计算出来的角度通过LCD屏幕显示。

基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其步骤为：

步骤一：先用阵列麦克风进行拾音；麦克风拾音信号通过频率采样滤波器处理；

步骤二：经过处理的信号通过单片机的ADC进行采样；

步骤三：采样结束之后对采样数据进行DOA估计，把估计出来的角度与当前云台的角度比较，来确定是否转动云台以及转动方向，从而使摄像头或者高指向性麦克风对准声源。

所述的阵列麦克风采用一定数目的麦克风按照均匀线阵放置在空域中，对空域信号进行采样，均匀线阵的信号平行入射，阵元间距为d,记信号波长为λ，阵元个数为N，阵列等效孔径为：如果信号源到阵列的距离为r，则远场条件可以简单表示为空间采样频率为

所述的频率采样滤波器由梳状滤波器和谐振器组成：梳状滤波器在单位圆上有N个均匀分布的零点：即每个谐振器在单位圆上有一个极点：频率采样滤波器中谐振器的极点恰好各自抵消梳状滤波器的零点，其系数就是滤波器在处的响应；将梳状滤波器的零点和谐振器的极点同时向圆内移一点，即：保证滤波器的稳定。

所述的DOA估计的模型为：阵列麦克风各个阵元接收到的信号为：

s(t) s(T+τ) s(t+2τ) … s(t+(M-1)τ)

其中D为阵元间距，θ为入射角度，c为声音速度，M为阵元数目，对于窄带解析复信号，有：

s(t) s(t)e^jωτ(θ) s(t)e^j2ωτ(θ) … s(t)e^{j(M-1)ωτ(θ)}

第i个阵元收到的信号为：

用向量形式表示：X(t)＝s(t)E(θ)其中E(θ)为导向向量：E(θ)＝[1 e^jωτ(θ) … e^{j (M-1)ωτ(θ)}]^T，E(θ)为导向向量；

所述的DOA估计的算法为：已知接收信号观测样本序列{x_i(t)}，i＝1，2，…，M为有限长序列，记为

X(t)＝[x₁(t) x₂(t) … x_M(t)]^T

通过算出每个角度入射信号的功率，然后找出最大值所对应的角度，就是均匀线阵放的信号平行入射角；先对对采集的N次快拍求平均估计自相关矩阵：

然后即可算出每个角度所对应的功率：其中，R为自相关矩阵，M为阵元数目。

本发明的有益效果：

本发明通过阵列麦克风将语音信号送至单片机的ADC中，单片机将采集到的语音指令进行方向估计，利用阵列信号处理中的DOA技术对声源进行估计，从而使云台转动，跟踪摄像目标。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1所示，基于列阵麦克风的声源跟踪系统，包括列阵麦克风，滤波放大电路、单片机、旋转云台和编码器；

所述的列阵麦克风的拾音信号传递给滤波放大电路；

所述的滤波放大电路通过滤波，放大，加偏置之后传递到单片机的六通道ADC进行采样；

所述的单片机的中央处理器将计算出来的角度通过串口模块发送指令给编码器，控制转动旋转云台。

所述的列阵麦克风采用一定数目的麦克风按照阵列流型放置在空域中，对空域信号进行采样，得到信源的空域采样数据并进行处理。

所述的单片机的中央处理器将计算出来的角度通过LCD屏幕显示。

选用了6阵元的线阵，由于声速v＝340m/s，人声频率在300-3400Hz之间，其中f＝1700Hz对应的半波长λ＝0.5*v/f＝0.1m＝10cm，阵元间距为10cm。

基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其步骤为：

步骤一：先用采用了6阵元、阵元间距为10cm的阵列麦克风进行拾音，对空域信号进行采样，均匀线阵的信号平行入射，阵元间距为d,记信号波长为λ，阵元个数为N，阵列等效孔径为：如果信号源到阵列的距离为r，则远场条件可以简单表示为空间采样频率为麦克风拾音信号通过频率采样滤波器处理；正常人声在600Hz-1200Hz内频率分量的功率最大，所以在这个范围内进行切片，以200Hz为间隔，共切四片；频率切片采样的是频率采样滤波器，频率采样滤波器分为一个40阶的梳状滤波器和4个不同频率的谐振器；

梳状滤波器在单位圆上有N个均匀分布的零点：即每个谐振器在单位圆上有一个极点：频率采样滤波器中谐振器的极点恰好各自抵消梳状滤波器的零点，其系数就是滤波器在处的响应；

梳状滤波器的N个零点是由于延时形成的，只要延时的数值稳定，零点的位置就是稳定的，谐振器在单位圆上的N个极点取决于一阶谐振系统反馈支路的加权系数，但是这些加权系数往往受到有限字长效应的影响，难以保证N个极点都在单位圆上，这样就不能保证N个极点与N个零点完全抵消，一旦不能完全抵消，滤波器就会不稳定，为了防止这种情况的发生，可以将梳状滤波器的零点和谐振器的极点同时向圆内移一点，就可以保证滤波器的稳定，即：

在200次快拍数据通过梳状滤波器之后，通过把滤波器输出稳定前的40个过渡点去除后，得到160维的稳定输出，然后数据再通过各路谐振器，分别得到600Hz、800Hz、1000Hz、1200Hz的信号分量，实现频率切片；

步骤二：经过处理的信号通过单片机的ADC进行采样；

在只有一个声源的情况下，阵列麦克风各个阵元接收到的信号为：

s(t) s(t+τ) s(t+2τ) … s(t+(M-1)τ)

其中D为阵元间距，θ为入射角度，c为声音速度，M为阵元数目对于窄带解析复信号，有：

s(t) s(t)e^jωτ(θ) s(t)e^j2ωτ(θ) … s(t)e^{j(M-1)ωτ(θ)}

第i个阵元收到的信号为：

用向量形式表示：X(t)＝s(t)E(θ)其中E(θ)为导向向量：

E(θ)＝[1 e^jωτ(θ) … e^{j(M-1)ωτ(θ)}]^T

已知接收信号观测样本序列{x_i(t)}，i＝1，2，…，M为有限长序列，记为

X(t)＝[x₁(t) x₂(t) … x_M(t)]^T

周期图法是通过算出每个角度入射信号的功率，然后找出最大值所对应的角度，就是声音信号入射的角度。

做法是先对对采集的N次快拍求平均估计自相关矩阵：

然后即可算出每个角度所对应的功率

这种方法较为稳健，从仿真结果来看，虽然主瓣较宽，但在精度要求不是十分严格的情况下可以应用，尤其在有混频干扰的情况下周期图法也能较为准确地估计出角度。且该算法的算法复杂度较低，易于在单片机上实现。

步骤三：采样结束之后对采样数据进行DOA估计，把估计出来的角度与当前云台的角度比较，来确定是否转动云台以及转动方向，从而使摄像头或者高指向性麦克风对准声源。

Claims (8)

1.基于列阵麦克风的声源跟踪系统，其特征在于，包括列阵麦克风，滤波放大电路、单片机、旋转云台和编码器；

所述的列阵麦克风的拾音信号传递给滤波放大电路；

所述的滤波放大电路通过滤波，放大，加偏置之后传递到单片机的六通道ADC进行采样；

所述的单片机的中央处理器将计算出来的角度通过串口模块发送指令给编码器，控制转动旋转云台。

2.根据权利要求1所述的基于列阵麦克风的声源跟踪系统，其特征在于，所述的列阵麦克风采用一定数目的麦克风按照阵列流型放置在空域中，对空域信号进行采样，得到信源的空域采样数据并进行处理。

3.根据权利要求1所述的基于列阵麦克风的声源跟踪系统，其特征在于，所述的单片机的中央处理器将计算出来的角度通过LCD屏幕显示。

4.基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一：先用阵列麦克风进行拾音；麦克风拾音信号通过频率采样滤波器处理；

步骤二：经过处理的信号通过单片机的ADC进行采样；

步骤三：采样结束之后对采样数据进行DOA估计，把估计出来的角度与当前云台的角度比较，来确定是否转动云台以及转动方向，从而使摄像头或者高指向性麦克风对准声源。

5.根据权利要求4所述的基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其特征在于，所述的阵列麦克风采用一定数目的麦克风按照均匀线阵放置在空域中，对空域信号进行采样，均匀线阵的信号平行入射，阵元间距为d,记信号波长为λ，阵元个数为N，阵列等效孔径为：如果信号源到阵列的距离为r，则远场条件可以简单表示为空间采样频率为

6.根据权利要求4所述的基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其特征在于，所述的频率采样滤波器由梳状滤波器和谐振器组成：梳状滤波器在单位圆上有N个均匀分布的零点：即每个谐振器在单位圆上有一个极点：频率采样滤波器中谐振器的极点恰好各自抵消梳状滤波器的零点，其系数就是滤波器在处的响应；将梳状滤波器的零点和谐振器的极点同时向圆内移一点，即：

保证滤波器的稳定。

7.根据权利要求4所述的基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其特征在于，所述的DOA估计的模型为：阵列麦克风各个阵元接收到的信号为：

s(t) s(t+τ) s(t+2τ) … s(t+(M-1)τ)

其中D为阵元间距，θ为入射角度，c为声音速度，M为阵元数目，对于窄带解析复信号，有：

s(t) s(t)e^jωτ(θ) s(t)e^j2ωτ(θ) … s(t)e^{j(M-1)ωτ(θ)}

第i个阵元收到的信号为：

用向量形式表示：X(t)＝s(t)E(θ)其中E(θ)为导向向量：

E(θ)＝[1 e^jωτ(θ) … e^{j(M-1)ωτ(θ)}]^T，E(θ)为导向向量。

8.根据权利要求4所述的基于列阵麦克风的声源跟踪系统的控制方法，其特征在于，所述的DOA估计的算法为：已知接收信号观测样本序列{x_i(t)}，i＝1，2，…，M为有限长序列，记为

X(t)＝[x₁(t) x₂(t) … x_M(t)]^T

通过算出每个角度入射信号的功率，然后找出最大值所对应的角度，就是均匀线阵放的信号平行入射角；先对对采集的N次快拍求平均估计自相关矩阵：

然后即可算出每个角度所对应的功率：其中R为自相关矩阵，M为阵元数目。