CN111624588B - 主动声源定位与声音信号重构方法及装置 - Google Patents

主动声源定位与声音信号重构方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种主动声源定位与声音信号重构方法及装置，通过连续旋转并采集雷达前端的基带信号，对基带信号进行局部加权消除由于环境中其他静态物体在雷达前端旋转过程中引起的相对运动及低频振动物体的干扰，获取高频振动分量信号；然后通过对高频振动分量信号进行短时傅里叶变换处理，得到时频分布图并计算得到声源目标的方位角；将雷达天线正对辨识出的声源，采集雷达前端的基带信号，提取声源的振动位移时域波形信号，进而重构声音信号。本发明通过定向测试实现多声源的准确定位与分离以及对声音信号的精确重构，在噪声较大和密闭环境中同样可以发挥良好的检测特性，系统具有微型化、低功耗、操作简便以及计算效率高等优点。

Description

主动声源定位与声音信号重构方法及装置
技术领域
本发明涉及一种声源定位与声音信号重构领域的技术，特别涉及一种基于单频连续波雷达的主动声源定位与声音信号重构方法及装置。
背景技术
声源定位技术在声音信号采集与检测、机械设备故障检测与噪声分析、军事侦查以及其他噪声源定位中发挥着关键作用。如何精确感知声场中各个声源信号的位置，同时重构声音信号，一直以来都是人们研究的重要内容。现有声源定位方法主要是基于麦克风阵列的声源定位方法，通过构建特定形式的麦克风阵列组合获取声源产生的声音信号，然后利用阵列信号处理算法进行声源定位和声音信号的重建。但是，这种声源定位方法的本质是采集传播过程中的声音信号，在密闭隔音容器中的仪器检测或者杂音干扰较大环境中的使用受限，且麦克风单元数量较多，阵列的尺寸相应较大。在多个声源的定位过程中，难以解决相干性问题，且麦克风阵列对500Hz以下声音信号检测效果较差，难以实现低频声源的准确定位。
发明内容
本发明针对现有技术难以实现声源的准确定位和声源信号的精确重构、麦克风阵列在噪声干扰大和隔音环境中的测量问题以及多声源定位中的相干性问题和低频声源的定位困难问题，提出一种主动声源定位与声音信号重构方法及装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种主动声源定位与声音信号重构方法，通过连续旋转并采集雷达前端的基带信号，对基带信号进行局部加权消除由于环境中其他静态物体在雷达前端旋转过程中引起的相对运动及低频振动物体的干扰，获取高频振动分量信号；然后通过对高频振动分量信号进行短时傅里叶变换处理，得到时频分布图并计算得到声源目标的方位角；将雷达天线正对辨识出的声源，采集雷达前端的基带信号，提取声源的振动位移时域波形信号，进而重构声音信号。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：雷达前端、旋转平台、处理器、控制器和显示与保存模块，其中：用于发射并接收连续波微波信号、输出基带信号的雷达前端固定设置于旋转平台上，雷达前端与处理器相连并传输雷达基带信号，处理器与显示与保存模块相连并传输声源目标位置信息和声源振动信号，控制器与旋转平台、雷达前端、处理器以及显示与保存模块相连并传输控制信号，显示与保存模块对测量结果进行显示与保存。
技术效果
本发明整体解决现有技术中系统阵列尺寸大，计算量高、低频声音信号检测效果差、多声源定位过程中的相干性以及难以实现噪声较大和密闭环境中声源定位与重构的问题。
与现有技术相比，本发明通过连续旋转雷达前端实现声源的快速定位和定向测试实现多声源的准确定位与分离以及对声音信号的精确重构，同时微波具有穿透性，在噪声较大和密闭环境中同样可以发挥良好的检测特性，系统具有微型化、低功耗、操作简便以及计算效率高等优点。
附图说明
图1为本发明的基于单频连续波雷达的声源定位方法流程图；
图2为本发明实施例中雷达前端安装平台的示意图；
图3为本发明实施例中I通道、Q通道基带信号及其局部加权线性平滑回归信号；
图4为本发明实施例中I通道、Q通道获取高频振动信号分量；
图5为本发明实施例中I通道高频信号的时频分析图；
图6为本发明实施例中定向测试声源振动位移测量结果；
图7为本发明的基于单频连续波雷达的声源定位装置结构框图；
图8为本发明实施例中雷达前端的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，为本实施例实际测量场景示意图，利用喇叭模拟声源，喇叭播放锯齿波频率调制的声音信号。
如图1所示，为本实施例涉及一种主动声源定位与声音信号重构方法，包括以下步骤：
步骤1，将用于发射并接收连续波微波信号、输出基带信号的雷达前端设置于旋转平台上，标定后调整旋转平台的方向和速度，在旋转平台转动的同时通过雷达前端采集基带信号。
所述的基带信号包括：I通道输出信号I(t)和Q通道输出信号Q(t)。
步骤2，通过局部加权消除由于环境中其他静态物体在雷达前端旋转过程中引起的相对运动及低频振动物体的干扰，获取高频振动分量信号，具体步骤包括：
步骤2.1，对采集得到的基带信号I(t)和Q(t)进行局部加权线性回归，得到平滑后的基带信号I_trend(t)和Q_trend(t)。
如图3所示，为原始基带信号和平滑处理后的基带信号的比较。
步骤2.2，原始的基带信号减去经局部加权线性回归的平滑信号，得到高频振动分量Ihighfreq(t)＝I(t)-Itrend(t)，Qhighfreq(t)＝Q(t)-Qtrend(t)，如图4所示。
所述的局部加权线性回归的平滑信号，通过滑动窗的形式依次对窗内数据采用加权线性最小二乘法进行拟合，得到平滑信号。
步骤3，提取声源的位置方位角信息：对高频振动分量进行短时傅里叶变换处理，得到时频分布图，如图5所示，并计算得到声源目标的方位角θ＝ωt，其中：ω为旋转平台的角速度，t为雷达前端旋转到正对声源位置时的时间。
由于旋转平台的旋转和微波信号的采集在时间上是同步的，当雷达前端正对声源时，时频分布图中信号的能量最强，幅值最大，所以时频分布图中幅值最大处对应的时间t＝22s，即为在旋转过程中雷达前端正对声源信号时的时间，可得声源与标定位置夹角θ＝95°。
步骤4，提取声源的微振动时域信号并进行信号重构：根据声源位置方位角信息，将雷达天线正对辨识出的声源，同步采集雷达前端的基带信号
Figure BDA0002512114280000031
和
Figure BDA0002512114280000032
其中：x(t)为声源振动位移，
Figure BDA0002512114280000033
为相位偏差，λ为信号波长，DCI和DCQ分别为I、Q通道的直流偏移。为解决测量零点问题，根据方差较大原则选择最佳通道φ(t)，并计算得到声源的振动位移为
Figure BDA0002512114280000034
实现重构，如图6所示。
所述的方差较大原则是指：声源振动位移x(t)很小，两通道数据I_(t)和Q_(t)中方差较大的为最佳通道，经泰勒级数展开原理近似可得
Figure BDA0002512114280000035
如图7所示，为实现上述方法的主动声源定位与声音信号重构装置，包括：雷达前端、旋转平台、处理器、控制器、显示与保存模块和电源，其中：用于发射并接收连续波微波信号、输出基带信号的雷达前端固定设置于旋转平台上，雷达前端与处理器相连并传输雷达基带信号，处理器与显示与保存模块相连并传输声源目标位置信息和声源振动信号，控制器与旋转平台、雷达前端、处理器以及显示与保存模块相连并传输控制信号，显示与保存模块对测量结果进行显示与保存。
所述的雷达前端包括：微波信号源、功分器、功率放大器、正交移相器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线，其中：微波信号源与功分器相连并传输单频载波信号，功分器与功率放大器和正交移相器相连，功率放大器与发射天线相连并传输放大的单频载波信号，接收天线与低噪声放大器相连并传输放大的接收信号，低噪声放大器与正交移相器的两个输出端分别与混频器相连并产生混频信号，两个混频器输出端分别与低通滤波器相连并产生下变频基带信号，低通滤波器输出端与信号调理电路相连并传输基带信号，微波信号源的信号经过功分器分为两路，一路经过功率放大器连接发射天线并传输放大的单频载波信号，一路经过正交移相器与混频器相连并传输本振信号。
所述的处理器包括：信号采集模块和信号处理模块，其中：信号采集模块同步采集雷达基带信号并传输到信号处理模块，信号处理模块根据雷达基带信号进行基于单频连续波雷达的声源定位方法，提取得到声源目标的位置信息并重构声源的声音信号。
所述的控制器包括：信号参数设置模块、平台控制模块、工作运行模块以及数据传输模块，其中：信号参数设置模块与雷达前端相连并传输微波雷达参数设置信息，平台控制模块与旋转平台相连并控制旋转平台的旋转运动，工作运行模块与处理器相连并控制信号处理过程，数据传输模块与显示与保存模块相连并控制测量结果的显示与保存。
本实施例以待测声源产生锯齿波频率调制的声音信号，通过设置旋转平台以ω＝0.075rad/s为例进行声源定位。如图3所示，得到I、Q通道的基带信号，通过局部加权线性平滑消除由于环境中其他静态物体在雷达前端旋转过程中引起的相对运动及低频振动物体的干扰得到高频振动分量信号，如图4和图5所示，经过短时傅里叶变换得到基带信号的时频分布图，根据能量最大判定原理，可以得到在22s位置处观测到高频振动声源，可得探测到的声源位置与标定方向夹角为95°。如图6所示，利用本发明提出的方法与装置进行了声源声音信号的重构实验，实验中设置声源的声音信号为正弦频率调制的声音信号，基于已探测的声源方位信息，将雷达天线正对声源，实现了声源微振动位移时域信号的精确提取，进而重构出声音信号。
与现有技术相比，本装置能够实现声源的快速定位，定位误差在2°以内；解决麦克风阵列在噪声干扰大和隔音环境中的测量问题，以及多声源定位中的相干性问题和低频声源的定位困难问题；同时与麦克风阵列相比一个雷达前端就可实现声源定位与声音信号重构，从而装置尺寸、数据量和计算量都大大降低。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种主动声源定位与声音信号重构方法，其特征在于，通过连续旋转并采集雷达前端的基带信号，对基带信号进行局部加权消除由于环境中其他静态物体在雷达前端旋转过程中引起的相对运动及低频振动物体的干扰，获取高频振动分量信号；然后通过对高频振动分量信号进行短时傅里叶变换处理，得到时频分布图，根据时频分布图信号幅值最大位置，结合旋转速度计算得到声源目标的方位角；将雷达天线正对辨识出的声源，采集雷达前端的基带信号，提取声源的振动位移时域波形信号，进而重构声音信号；
所述的局部加权，具体包括：
步骤1，对采集得到的基带信号I(t)和Q(t)进行局部加权线性回归，得到平滑后的基带信号I_trend(t)和Q_trend(t)；
步骤2，原始的基带信号减去经局部加权线性回归的平滑信号，得到高频振动分量Ihighfreq(t)＝I(t)-Itrend(t)，Qhighfreq(t)＝Q(t)-Qtrend(t)。
2.根据权利要求1所述的主动声源定位与声音信号重构方法，其特征是，所述的局部加权线性回归的平滑信号，通过滑动窗的形式依次对窗内数据采用加权线性最小二乘法进行拟合，得到平滑信号。
3.根据权利要求1所述的主动声源定位与声音信号重构方法，其特征是，所述的声源目标的方位角，通过以下方式得到：对高频振动分量信号进行短时傅里叶变换处理，得到时频分布图并计算得到声源目标的方位角θ＝ωt，其中：ω为旋转平台的角速度，t为雷达前端旋转到正对声源位置时的时间；
旋转过程中雷达前端正对声源信号时的时间t由时频分布图中信号幅值最大处对应的时间确定，进而计算得到声源与标定位置的夹角。
4.根据权利要求1所述的主动声源定位与声音信号重构方法，其特征是，所述的重构：根据声源位置方位角信息，将雷达天线正对声源，同步采集雷达前端的两通道基带信号I_(t)和Q_(t)，选择I_(t)和Q_(t)中方差较大者为最佳通道信号φ(t)，并计算得到声源的振动位移为
Figure FDA0004086277180000011
实现重构。
5.一种实现权利要求1～4中任一所述方法的系统，其特征在于，包括：雷达前端、旋转平台、处理器、控制器和显示与保存模块，其中：用于发射并接收连续波微波信号、输出基带信号的雷达前端固定设置于旋转平台上，雷达前端与处理器相连并传输雷达基带信号，处理器与显示与保存模块相连并传输声源目标位置信息和声源振动信号，控制器与旋转平台、雷达前端、处理器以及显示与保存模块相连并传输控制信号，显示与保存模块对测量结果进行显示与保存。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的雷达前端包括：微波信号源、功分器、功率放大器、正交移相器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线，其中：微波信号源与功分器相连并传输单频载波信号，功分器与功率放大器和正交移相器相连，功率放大器与发射天线相连并传输放大的单频载波信号，接收天线与低噪声放大器相连并传输放大的接收信号，低噪声放大器与正交移相器的两个输出端分别与混频器相连并产生混频信号，两个混频器输出端分别与低通滤波器相连并产生下变频基带信号，低通滤波器输出端与信号调理电路相连并传输基带信号，微波信号源的信号经过功分器分为两路，一路经过功率放大器连接发射天线并传输放大的单频载波信号，一路经过正交移相器与混频器相连并传输本振信号。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的处理器包括：信号采集模块和信号处理模块，其中：信号采集模块同步采集雷达基带信号并传输到信号处理模块，信号处理模块根据雷达基带信号进行基于单频连续波雷达的声源定位方法，提取得到声源目标的位置信息并重构声源的声音信号。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的控制器包括：信号参数设置模块、平台控制模块、工作运行模块以及数据传输模块，其中：信号参数设置模块与雷达前端相连并传输微波雷达参数设置信息，平台控制模块与旋转平台相连并控制旋转平台的旋转运动，工作运行模块与处理器相连并控制信号处理过程，数据传输模块与显示与保存模块相连并控制测量结果的显示与保存。
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