CN114019455A - 一种基于mems加速度计的目标声源探测系统 - Google Patents

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曾勤波
吴永存
赖春强
骆云志
祝本明
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，包括：MEMS加速度计拾音阵列、主处理器以及显示模块；所述MEMS加速度计拾音阵列用于收集语音信号，并经过预处理后将所述语音信号传递给主处理器进行声源定位算法处理；所述显示模块用于接收所述主处理器处理后声源信号，并进行显示，通过结构设计，能够实现复杂环境下声波信号低失真还原、声波特征识别、目标声波信号增强的目的。

Description

一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统
技术领域
本发明涉及声源定位技术领域，更进一步的，涉及一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统。
背景技术
在现代的社会环境中，很多场景的声源探测已经是人耳无法满足了，例如，在车辆密集行驶的道路上无法区分是哪一辆车按喇叭、人耳也无法判断100米高的风力发电机组那一个叶片的风噪声更大些、人耳还无法分辨出远方的枪声是手枪发出的还是步枪发出的。
常用的声源探测或声源定位大部分采用的是麦克风阵列和声强探头，这两种声音探测的方法都是人耳声音探测机理的扩展，属于仿生技术。麦克风阵列模仿人类的两个耳朵，麦克风阵列使用几个到几千个麦克风作为拾音器，相当于人长了多个耳朵，因此达到远远高于人耳的探测精度。声强探头则可以简单认为是在模仿单个耳朵靠近声源听，用手包住耳廓使得耳朵少受其他声音的干扰，头部在被听物体附件移动以确定声源位置。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
为此，本申请提供了一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，通过结构设计，能够实现复杂环境下声波信号低失真还原、声波特征识别、目标声波信号增强的目的。
本发明通过如下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，包括：MEMS加速度计拾音阵列、主处理器以及显示模块；所述MEMS加速度计拾音阵列用于收集语音信号，并经过预处理后将所述语音信号传递给主处理器进行声源定位算法处理；所述显示模块用于接收所述主处理器处理后声源信号，并进行显示。
在本实施例中，所述声源探测系统采用MEMS加速度计拾音阵列作为声波采集装置，并将采集到的声波信息传输至所述主处理器中进行声源定位算法处理，并显示能够有效的实现声源的快速定位，与现有技术相比，本系统采用MEMS加速度计拾音阵列作为声波采集装置，相交与现有采用麦克风阵列或者声强探头进行声源采集的方式，其智能化程度高，对特定声波的识别能力强，可以满足特殊领域对特定声波的探测需求；且针对于MEMS麦克风阵列的声波采集装置而言，采用MEMS加速度计拾音阵列可有效的解决MEMS麦克风阵列结构布局复杂、空间维数多、失真度高、空间分辨力差、多维阵列相位控制难等问题，实现复杂环境下声波信号低失真还原、声波特征识别、目标声波信号增强的目的。
进一步的，所述MEMS加速度计拾音阵列为3轴MEMS加速度计拾音阵列，且数量为两个，采用3轴MEMS加速度计拾音阵列,对3个轴向采集的声波信号进行拟合，解决了MEMS麦克风阵列结构布局复杂、空间维数多、失真度高、空间分辨力差、多维阵列相位控制难等问题，且采用2个3轴MEMS加速度计拾音阵列，模拟人耳，能够进一步的保证采集的效果。
进一步的，还包括预处理模块，所述预处理模块用于消除干扰信号。
进一步的，所述预处理模块包括抗干扰电路，所述MEMS加速度计拾音阵列以及所述主处理器均与所述抗干扰电路信号连接，所述抗干扰电路用于处理所述MEMS加速度计拾音阵列安装方式带来的干扰信号，通过所述抗干扰电路的设计，在有效的处理不同的MEMS加速度计拾音阵列的安装方式带来的信号干扰的同时，能够有效的降低信号基底噪声，提高目标声源的声波特征。
进一步的，所述预处理模块包括滤波电路，所述滤波电路与所述主处理器信号连接，通过所述主处理器预置目标声波参数，进行自适应调节滤波范围。
进一步的，还包括用于实现声波模拟信号向数字信号转换的AD转换电路，所述滤波电路以及所述主处理器均与所述AD转换电路信号连接。
进一步的，还包括卫星定位电路，所述卫星定位电路与所述主处理器信号连接，用于提供位置基准信息。
进一步的，还包括运动传感器模块，所述运动传感器模块用于采集所述MEMS加速度计拾音阵列的方位、姿态和运动信息，并反馈所述主处理器。
进一步的，所述主处理器内置神经网络算法。
进一步的，还包括外围辅助功能电路，用于实现所述声源探测系统的功能拓展。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请提供了一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，采用MEMS加速度计拾音阵列作为声波采集装置，相较于常规的麦克风整理以及声强探头而言，采用MEMS加速度计作为声波采集的敏感器件，MEMS加速度计可以实现千分之一g到数千g加速度的感应，根据声波对其轴向产生振动进行拾音，能够完全覆盖人耳对声波的探测范围(约20Hz～20KHz)，能够实现复杂环境下声波信号低失真还原、声波特征识别、目标声波信号增强的目的。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例提供的声源探测系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在现有技术中，常用的声源探测或声源定位大部分采用的是麦克风阵列和声强探头，这两种声音探测的方法都是人耳声音探测机理的扩展，属于仿生技术。麦克风阵列模仿人类的两个耳朵，麦克风阵列使用几个到几千个麦克风作为拾音器，相当于人长了多个耳朵，因此达到远远高于人耳的探测精度。声强探头则可以简单认为是在模仿单个耳朵靠近声源听，用手包住耳廓使得耳朵少受其他声音的干扰，头部在被听物体附件移动以确定声源位置。
现有麦克风阵列已由传统的麦克风阵列转向MEMS麦克风阵列。MEMS麦克风小巧、集成度高、相位一致性好，能够满足日常生活中普通场景下应用的需求。然而面对复杂环境应用场景MEMS麦克风阵列存在结构布局复杂、空间维数多、失真度高、空间分辨力差、多维阵列相位控制难等问题，例如城市道路交通、军工应用、环境监测。
针对于声强探头国内外种类多，其声音探测还原度较高，但是探测距离与体积成正比、与信号强度成反比，对于远距离、微弱信号的声源探测所采用的声强探头存在体积庞大、成本高、使用维护复杂等难点。
综上所述，声源探测无论是采用麦克风阵列还是声强探头方式，其智能化程度都不高，对特定声波的识别能力较弱，难以满足特殊领域对特定声波的探测需求。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，包括：MEMS加速度计拾音阵列、主处理器以及显示模块；所述MEMS加速度计拾音阵列用于收集语音信号，并经过预处理后将所述语音信号传递给主处理器进行声源定位算法处理；所述显示模块用于接收所述主处理器处理后声源信号，并进行显示。
具体的，所述MEMS加速度计拾音阵列上部署有若干加速度计传感器，所述MEMS加速度计拾音阵列包括但不限于穿戴式，车载式，机载式、舰载式等安装携行方式。
在本实施例中，所述声源探测系统采用MEMS加速度计拾音阵列作为声波采集装置，并将采集到的声波信息传输至所述主处理器中进行声源定位算法处理，并显示能够有效的实现声源的快速定位，与现有技术相比，本系统采用MEMS加速度计拾音阵列作为声波采集装置，相交与现有采用麦克风阵列或者声强探头进行声源采集的方式，其智能化程度高，对特定声波的识别能力强，可以满足特殊领域对特定声波的探测需求；且针对于MEMS麦克风阵列的声波采集装置而言，采用MEMS加速度计拾音阵列可有效的解决MEMS麦克风阵列结构布局复杂、空间维数多、失真度高、空间分辨力差、多维阵列相位控制难等问题，实现复杂环境下声波信号低失真还原、声波特征识别、目标声波信号增强的目的。
在一些实施例中，所述MEMS加速度计拾音阵列为3轴MEMS加速度计拾音阵列，且数量为两个，采用3轴MEMS加速度计拾音阵列,对3个轴向采集的声波信号进行拟合，解决了MEMS麦克风阵列结构布局复杂、空间维数多、失真度高、空间分辨力差、多维阵列相位控制难等问题，且采用2个3轴MEMS加速度计拾音阵列，模拟人耳，能够进一步的保证采集的效果。
其中，所述3轴MEMS加速度计拾音阵列为两个，两个3轴MEMS加速度计拾音阵列同时对3轴MEMS加速度计拾音阵列，模拟人耳，能够有效的保证探测的准确性，具体的，根据2个不同位置3轴MEMS加速度计拾音阵列敏感探测到的轴向信息解算出目标声波信号发出的方向与距离，测算出目标声源位置。
具体的，设置为3轴MEMS加速度计拾音阵列，采用3轴(X、Y、Z)MEMS加速计,对3个轴向采集的声波信号进行拟合，区别于MEMS麦克风阵列结构，解决了布局复杂、空间维数多、失真度高、空间分辨力差、多维阵列相位控制难等问题；区别于声强探头结构，解决了对远距离声源探测体积大、成本高、使用维护复杂、操作携带不方便等问题。
在一些实施例中，还包括外围辅助功能电路，用于实现所述声源探测系统的功能拓展。
具体的，所述外围辅助功能电路包括但不限于与时钟电路、电源管理电路、数据接口电路、音视频采集电路、扬声器等。
其中，所述时钟电路用于为所述主处理器提供守时信号，保证时间的统一性。
其中，所述电源管理电路用于为所述声源探测系统的各功能模块提供电源，并进行电源管理。
其中，所述数据接口电路可配置多种接口，例如USB、HDMI和网口，实现功能拓展。
其中，所述音视频采集电路用于采集近场音视频信号的音视频采集电路。
其中，所述扬声器用于实现音频信号的播放。
在一些实施例中，还包括卫星定位电路，所述卫星定位电路与所述主处理器信号连接，用于提供位置基准信息，通过所述卫星定位电路进行探测系统位置的确认并提供一个稳定没有差异的时间或者时刻。
在一些实施例中，还包括无线通信电路，所述无线通信电路支持公网4G/2G通信、Wi-Fi和蓝牙等无线通信方式。
在一些实施例中，还包括运动传感器模块，所述运动传感器模块用于采集所述MEMS加速度计拾音阵列的方位、姿态和运动信息，并反馈所述主处理器。
具体的，所述运动传感器模块内设置有3轴加速度传感器，将所述3轴加速度传感器作为运动姿态带来的噪声信号源。
在一些实施例中，还包括预处理模块，所述预处理模块用于消除干扰信号。
作为所述预处理模块的一个具体的实施方式，所述预处理模块包括抗干扰电路，所述MEMS加速度计拾音阵列以及所述主处理器均与所述抗干扰电路信号连接，所述抗干扰电路用于处理所述MEMS加速度计拾音阵列安装方式带来的干扰信号，通过所述抗干扰电路的设计，在有效的处理不同的MEMS加速度计拾音阵列的安装方式带来的信号干扰的同时，能够有效的降低信号基底噪声，提高目标声源的声波特征。
需要说明的是，本发明采用加速度计作为声波采集装置，无论针对于何种安装携行方式，在运动过程中只要产生加速度，加速度计均能接收对应信号，而针对于运动产生的信号而言，其即为干扰信号，会影响对应的探测结果。
具体的，所述抗干扰电路，首先通过信号隔离的方法对电路中“电”信号、“地”信号和放大器等信号处理器件所产生的基底噪声信号进行处理；然后需要依托主处理器提供干扰信号特征量参数；最后通过波形比较器对比并处理掉运动传感器模块采集到载体运动所产生的加速度干扰信号。
具体的，所述抗干扰电路根据音视频采集电路所采集除目标信号之外的近场音频干扰信号分贝强度对近场干扰信号进行处理，进一步消除干扰信号，保证探测的准确性。
具体的，所述主处理器提供干扰信号特征量参数是指所述根据是卫星定位电路确定自身位置和进行授时，由时钟电路进行时间维持(守时)；根据运动传感器模块提供的数据信息进行定向、定姿和确定系统的运动状态；并形成抗干扰电路的门限值，实时解码音视频采集电路采集到的音频信号，确定环境噪声及其信噪比，并向所述抗干扰电路设置信噪比门限值控制干扰信号和优化噪声基底的处理。
具体的，所述主处理器对采集到的声波信号进行处理，作为一种具体的处理方式，通过卡尔曼滤波对数字声波信号，进一步消除噪声和干扰，经处理后的声波信号经过预处理进行分帧，加窗和预加重处理后提取特征信号，访问存储电路与特征信号库，利用循环神经网络(Recurrent Neural Network，RNN)和序列短时分类(Connectionist TemporalClassification，CTC)训练、学习与识别目标声波，并优化特征库。
其中，所述主处理器了可针对大样本量、环境多样化、声源信号质量好的目标声源信号的系列处理，包括预处理、分帧、加窗、预加重处理、特征量提取、RNN和CTC等处理过程，建立目标信号训练集，生成声源信号模型库；并通过对应的学习数据库，提高声源探测准确率。
具体的还包括存储电路，所述存储电路用于提供声波特征库存储空间和运行内存。
作为所述预处理模块的另一个具体的实施方式，所述预处理模块包括滤波电路，所述滤波电路与所述主处理器信号连接，通过所述主处理器预置目标声波参数，进行自适应调节滤波范围。
具体的，所述主处理器预置目标声波参数的确认过程与所述抗干扰电路的信噪比的确认过程类似，再次不做赘述，通过所述主处理器确认并向所述滤波电路设置声波幅值实现噪声基底的优化处理。
进一步的，还包括用于实现声波模拟信号向数字信号转换的AD转换电路，所述滤波电路以及所述主处理器均与所述AD转换电路信号连接。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更与修改，因此本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，包括：
MEMS加速度计拾音阵列、主处理器以及显示模块；
所述MEMS加速度计拾音阵列用于收集语音信号，并将经过预处理后所述语音信号传递给主处理器进行声源定位算法处理；
所述显示模块用于接收所述主处理器处理后声源信号，并进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，所述MEMS加速度计拾音阵列为3轴MEMS加速度计拾音阵列，且数量为两个。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，还包括预处理模块，所述预处理模块用于消除干扰信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，所述预处理模块包括抗干扰电路，所述MEMS加速度计拾音阵列以及所述主处理器均与所述抗干扰电路信号连接，所述抗干扰电路用于处理所述MEMS加速度计拾音阵列安装方式带来的干扰信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，所述预处理模块包括滤波电路，所述滤波电路与所述主处理器信号连接，通过所述主处理器预置目标声波参数，进行自适应调节滤波范围。
6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，还包括用于实现声波模拟信号向数字信号转换的AD转换电路，所述滤波电路以及所述主处理器均与所述AD转换电路信号连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，还包括卫星定位电路，所述卫星定位电路与所述主处理器信号连接，用于提供位置基准信息。
8.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，还包括运动传感器模块，所述运动传感器模块用于采集所述MEMS加速度计拾音阵列的方位、姿态和运动信息，并反馈所述主处理器。
9.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，所述主处理器内置神经网络算法。
10.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度计的目标声源探测系统，其特征在于，还包括外围辅助功能电路，用于实现所述标声源探测系统的功能拓展。
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