一種低空目標分布式定位系統(tǒng)及其算法與實驗研究

常躍躍，陳建峰

(1.西北工業(yè)大學 航空學院，西安 710072) (2.西北工業(yè)大學 航海學院，西安 710072)

一種低空目標分布式定位系統(tǒng)及其算法與實驗研究

常躍躍1，陳建峰2

(1.西北工業(yè)大學 航空學院，西安 710072) (2.西北工業(yè)大學 航海學院，西安 710072)

低空聲源目標具有較強的隱身性，為了實現對此類目標的定位，構建基于TMS320C6713平臺的分布式麥克風陣列低空聲源定位系統(tǒng)。麥克風陣列節(jié)點以DSP為核心處理器，通過A/D芯片采樣麥克風陣列接收到的信號，通過到達時間差(TDOA)計算聲源的角度，利用測向交叉法，融合多個節(jié)點的角度信息，計算出聲源的位置。結果表明：在時延估計精確的情況下，對低空目標具有較好地估計；系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠滿足對低空聲源目標進行定位的實際需求。

低空；分布式；聲源定位；DSP；測向交叉定位法；TDOA

0 引 言

低空飛行目標由于其雷達反射面積小而具有較強的隱身性能[1]，對低空聲源目標的定位在軍用和民用領域均具有較大的需求和應用市場[2]。隨著傳感器網絡技術的發(fā)展，被動聲源定位可以作為現有定位技術的補充，能對低空目標進行有效定位[3]。分布式麥克風陣列聲源定位是指用麥克風拾取聲音信號，通過對麥克風陣列的各路輸出信號進行分析和處理，得到多個時延估計信息，再對這些數據進行融合，利用數學模型得到目標的位置。

目前，基于分布式麥克風陣列的聲源定位技術，已廣泛應用于空中被動聲源定位、智能雷場、水下監(jiān)控等[4]領域。美國、俄羅斯、以色列、英國、瑞典等國家在該領域起步較早，已研制出比較成熟的定位系統(tǒng)，例如美國的PALS被動聲源定位系統(tǒng)、英國的Picker直升機報警器和瑞典的SORAS26聲測系統(tǒng)等。20世紀90年代，我國才開始進行該領域的研究，但目前尚未有相對成熟的大型產品問世。僅在2007年，中國科學院聲學研究所研制出了一種基于PC104小基陣系統(tǒng)的分布式實時被動聲源定位系統(tǒng)[5]。

本文主要討論針對低空目標的分布式實時被動聲源定位系統(tǒng)(低空聲源定位系統(tǒng))的硬件設計，對系統(tǒng)所采用的測向交叉定向法進行仿真，并通過現場實驗驗證單點的定向效果。

1 系統(tǒng)硬件設計

本文設計的整個硬件系統(tǒng)是以DSP為核心電路對語音信號進行采集和處理。4路麥克風構成兩個麥克風陣列，信號經過調理放大電路，并由A/D轉換電路把調理后的模擬語音信號轉換成數字語音信號，再送入DSP芯片處理，最終輸出到PC機上。系統(tǒng)的硬件平臺主要由DSP系統(tǒng)核心處理模塊、目標信號調理模塊、A/D采樣模塊、外擴存儲器模塊和外圍電路等構成，其硬件設計原理框圖如圖1所示。

1.1 DSP系統(tǒng)核心處理模塊

作為系統(tǒng)的核心模塊，DSP芯片采用TMS320C6713，該芯片是TI公司推出的一種新型浮點DSP 芯片，主頻可達200 MHz。其內部結構在 TMS320C62X的基礎上進行了改進，集成了多個功能單元，可同時執(zhí)行8 條指令，運算能力可達1 G FLOPS。芯片內具有豐富的外設，例如EDMA、EMIF、McBSP、HPI、GPIO等[6]。TMS320 C6713具有出色的運算能力、高效的指令集、智能外設、大容量片內存儲器和大范圍尋址能力，能夠滿足系統(tǒng)對某些復雜定位算法的快速處理。

1.2 目標信號調理模塊

麥克風所拾取的聲音信號太小，且易受環(huán)境噪聲的影響，因此有必要對聲音信號進行預處理，通過信號調理單元的處理，使之能夠滿足系統(tǒng)要求。本文選用的目標調理模塊為運算放大芯片MC33204，該芯片為四運算放大器，具有功耗低、噪聲低等優(yōu)點。系統(tǒng)采用兩級放大，最終可將信號放大到合適的大小。

1.3 A/D采樣模塊

麥克風陣列拾取聲音信號，經過目標調理模塊的處理，使聲音信號達到A/D芯片采樣的要求，從而進行模/數轉換，完成數據采樣。A/D轉換器件選用TI公司的PCM4204，該芯片可以進行4通道、24位、高精度采樣，采樣速率可達216 kHz。該芯片具有音頻串口和DSD數據接口，其中音頻串口能與DSP方便連接，采樣數據能夠迅速地被DSP處理。

A/D采樣模塊根據TMS320C6713的硬件結構特點，采用EDMA方式通過TMS320C6713的McASP與ADC外設進行數據交換。EDMA方式不僅使數據傳輸速度快、傳輸量大，還不占用CPU時鐘周期，使數據傳輸和DSP命令執(zhí)行同步進行，大幅提高了整個系統(tǒng)的運行速度。A/D采樣模塊設計示意圖如圖2所示。

1.4 外擴存儲器模塊

大多DSP芯片內部都有內置存儲器RAM和ROM，但對于許多DSP應用來說，這些存儲空間遠遠不夠。同時，程序和數據在掉電后無法保存，需要從外部加載程序，因此，通常需要進行片外存儲器擴展。TMS320C6713的EMIF具有很強的接口能力，幾乎能夠與所有存儲器實現無縫連接。EMIF的外部空間容量為64 MB，分為四個空間CE0～CE3，每個CE空間彼此獨立，可以進行不同的訪問控制[7]。本文通過EMIF 擴展兩個存儲空間，其中，數據存儲空間(SDRAM)分配在CE0，程序存儲空間(FLASHROM) 分配在CE1。

2 測向交叉定向與定位算法及分析

2.1 單節(jié)點定向算法

在利用麥克風分布式陣列進行定位前，需要先利用單個節(jié)點確定出一個聲源的相對方向；然后將這個節(jié)點的方向結果進行測向交叉，從而得到聲源的方位信息。單節(jié)點模型如圖3所示，O為參考點，α為聲源與二號麥克風連線同x軸正方向的夾角，麥克風陣元m1和m2的坐標分別為(d/2,0)、(-d/2，0)。

被動聲源定位(Time Delay of Arrival，簡稱TDOA)估計技術具有較小的計算量和較高的精度，是一種常用的聲源定位技術。本文選用互功率相位(Crosspower-Spectrum Phase，簡稱CSP)估計算法[8]。

在平面波傳播模型中，麥克風對(m1,m2)的聲源波達方向可由式(1)獲得：

(1)

式中：d12、τ12分別為麥克風對(m1,m2)之間的距離和接收信號的相對延遲的估計值。

麥克風對之間的時延可以根據式(2)估計：

(2)

其中，

(3)

(4)

式中：X1(t,f)為接收信號x1(t)的頻譜；φ12為歸一化互功率譜；R12(t,τ)為互相關函數。

2.2 測向交叉定位法

在獲得了兩個節(jié)點計算得到的方向角之后，采用測向交叉定位法對聲源進行定位計算。定位模型如圖4所示。

(5)

(6)

令

(7)

C=[g1,g2,…,gn]T

(8)

(9)

式中：C為n×1的向量；H為n×2的矩陣。

利用最小二乘法[6]，可得

(10)

3 仿真分析

3.1 仿真模型

系統(tǒng)的定位誤差主要來自每個節(jié)點的定向誤差，故著重對單節(jié)點定向算法進行仿真分析。所用算法的理論推導均按照以下假設建立陣列信號模型[9-10]：

(1) 接收的目標信號為寬帶信號；

(2) 傳播介質均勻且各向同性；

(3) 接收基陣位于信號源的遠場，可近似認為接收到的信號為平面波；

(4) 接收陣元的幾何尺寸遠小于入射平面波的波長，且陣元無指向性，可近似認為接收陣元是點元；

(5) 接收陣元間距d遠大于陣元尺寸，即陣元間的相互影響可忽略不計。

聲源信號通常采用高斯寬帶隨機信號來模擬[9]。麥克風接收到的信號是聲源信號經過傳播衰減后到達陣元的信號。在陣列模型中，一旦聲源位置確定，聲信號到達各陣元的傳播延時也是確定的，用理論方法可以計算得出該延時[11-12]，繼而可生成仿真需要的信號。

3.2 仿真條件設置

采樣頻率Fs=16 000 Hz，d=0.5 m，快拍數N=1 024，空氣中聲音傳播的速度c=340 m/s，陣列為二元陣；仿真所用信號源為寬帶信號，fl=500 Hz，fh=7 000 Hz；信號源位于αs方向，αs從0°到180°以間隔為1°增長變化；仿真時間測試平臺：Vision臺式機，操作系統(tǒng)Windows XP，主頻3 GHz，內存1.75 G；MATLAB版本7.8.0(R2009a)。

3.3 結果分析

根據上述仿真信號的產生方式及仿真參數的設置，生成的寬帶仿真信號的時域圖和頻譜圖如圖5～圖6所示。

兩個麥克風接收信號的互功率譜和互相關函數分別如圖7～圖8所示，可以看出：對于已知時間差的兩個信號，利用互功率譜算法求出兩個信號的互相關函數可以準確地檢測出互相關函數最大值所在的位置，從而求出相應的時延τ12，進而求出聲源相對于節(jié)點的角度θ。

假設已知聲源與節(jié)點的相對角度為θ，代入式(1)得到兩個信號的時延，利用MATLAB產生這兩個仿真信號，再利用互功率譜算法求出一個角度，并與已知的θ進行對比，其結果如圖9～圖10所示。

從圖9～圖10可以看出：當聲源相對節(jié)點的角度從0°～180°變化時，利用互功率譜法可以得到相應的估計角度；當假設角度在20°～160°范圍時，估計誤差小于3°；0°～20°和160°～180°時，估計誤差最大達到9°。

4 單節(jié)點定位實驗

4.1 實驗環(huán)境

實驗場地選擇為農村空曠的空地，實驗時間為13:30～16:00。由于距離公路較遠，現場背景噪聲屬于安靜級(40～50 dB)，實驗現場無風。實驗現場圖如圖11所示。

4.2 實驗設備

實驗設備包括：一套基于平面四元十字陣的單節(jié)點定向系統(tǒng)；GPS接收器；發(fā)令槍兩把(用于校準)。

單節(jié)點定向系統(tǒng)主要包括：平面四元十字陣，預處理電路節(jié)點控制板，多通道數據采集板，上位機PC。

4.3 實驗過程及結果分析

單節(jié)點定向實驗中，在距離陣列3 km范圍內利用多個炮竹爆炸產生的聲音作為聲源，系統(tǒng)上位機采集聲源信息、計算聲源相對坐標并顯示。在某一位置處，通過多次測量比較結果的穩(wěn)定性，如表1所示，可以看出：系統(tǒng)對聲源的定向基本可以保持穩(wěn)定，但也會出現不同的結果。導致該誤差的因素主要有兩方面：一是由于實驗前利用發(fā)令槍進行校準，校準過程存在一定誤差；二是由于系統(tǒng)采用定向算法數學實現，延時估計具有離散型，致使單個麥克風陣的定向角度存在偏差。

表1 單節(jié)點定向實驗結果

5 結 論

(1) 本文針對低空聲源目標設計了一套定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對現有定位系統(tǒng)進行有效補充。

(2) 通過仿真對系統(tǒng)所采用的定向算法進行了模擬，結果顯示在時延精確的情況下，算法可以以較低的誤差確定出目標的方向。

(3) 定向實驗結果表明，本文設計的系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和較高的精度，對低空目標聲源定位具有較強的適應性。

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常躍躍(1989-)，男，碩士，助教。主要研究方向：無線傳感器網絡與聲源定位。陳建峰(1972-)，男，博士，教授。主要研究方向：無線傳感器網絡與聲源定位。

(編輯：馬文靜)

ADistributedAcousticLocalizationSystemforLowAltitudeTargetsandItsAlgorithmandExperimentalResearch

Chang Yueyue1, Chen Jianfeng2

(1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) (2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Low altitude targets are of a strong stealth. In order to localize such targets, a distributed sound source localization system for low altitude targets based on the platform of TMS320C6713 is constructed. In the system, digital signal processor(DSP) is the core processor and signals

by the microphone are sampled via Analog/Digital(A/D) chips. The direction of the sound source is calculated through time different of arrival(TDOA) and the angles of each node are fused by direction finding cross localization method to calculate the position of the sound source. The simulation results show that the algorithm has good effectiveness when the time-delay estimation is accurate. The experimental results show that the system has high precision and stability and can meet the needs of the practical applications for low altitude targets.

low altitude; distributed; sound source localization; DSP; direction finding cross locating method; TDOA

2017-03-13；

2017-04-26

常躍躍,cyy@nwpu.edu.cn

1674-8190(2017)04-444-06

TN912.3

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.012