基于传声器阵列的空气声定位系统研究与实现

发布时间：2017-09-15 11:19

  本文关键词：基于传声器阵列的空气声定位系统研究与实现

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【摘要】：主动目标定位技术的应用中系统存在隐蔽性和安全性难以保证的问题,被动定位系统成为研究重点。作为被动定位系统的分支,声源定位系统有着广泛的应用前景和科研价值。但目前的系统存在定位精度低、实时性差、过度依赖算法修正及适用范围窄等问题,随着声源定位算法研究的不断成熟以及高性能电子元件的不断涌现,为解决上述问题提供了条件和保证。因此,本文设计并实现了一种基于均匀线阵和窄带常规波束形成算法的空气声定位系统。该系统采用了高信噪比采集电路来增强数据精度,设计了信号预处理电路以减小运算量,采用互换性设计增加了系统的适用范围。本文具体内容包括:推导了适用于本系统的声源定位算法,对算法进行了仿真,重点阐述了系统的设计。空气声定位系统分为两个子系统:接收阵列子系统和信号处理子系统。接收阵列子系统的任务是实现声电转换,它包括传声器阵列及预处理电路。系统所采用的阵列为均匀线阵,预处理电路将实现对阵列输出信号的滤波及放大功能。信号处理子系统由模拟数字转换部分和控制管理部分组成。模拟数字转换部分的功能是将接收阵列子系统输出的模拟电信号转换成数字信号。控制管理部分用来实现整个系统的控制管理并为算法提供了运行平台。本文分别对子系统的性能进行了测试,结果均能达到系统的设计指标要求。在系统整体测试实验部分,首先对声源定位算法进行了仿真,验证了算法的有效性。然后进行了声音信号采集实验,证明系统可以正确的捕捉声源发出的声音信号。最后进行了声源定位实验并与算法仿真结果进行了对比,实验结果表明声源定位系统定位误差在2°左右,系统总吞吐速率达到3.98 MB/s,有较好的实时性和稳定性。
【关键词】：均匀线阵 声源定位 波束形成 信号采集
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN641;TN911.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 声源定位算法及系统研究现状13-16
• 1.2.1 基于传声器阵列的声源定位算法研究概况13-14
• 1.2.2 声源定位系统研究进展14-16
• 1.3 研究内容与技术难点16-18
• 第2章 阵列信号处理原理及算法18-31
• 2.1 阵列信号处理及波束形成18-19
• 2.2 信号处理数学模型19-24
• 2.2.1 基阵19-20
• 2.2.2 信号模型20-23
• 2.2.3 噪声场模型23-24
• 2.3 波束形成24-29
• 2.3.1 波束形成表达式24-25
• 2.3.2 窄带波束形成25-27
• 2.3.3 基于均匀线阵的窄带常规波束形成27-29
• 2.4 声音信号分析29-30
• 2.4.1 空气声音信号的特点29
• 2.4.2 声音的位分辨率29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 接收阵列子系统硬件电路设计31-47
• 3.1 声阵列结构设计31-32
• 3.1.1 阵元间距设计31
• 3.1.2 阵列结构设计31-32
• 3.2 传声器设计32-35
• 3.2.1 传声器需求分析32-33
• 3.2.2 传声器选择33-35
• 3.3 滤波器需求分析及电路设计35-39
• 3.3.1 滤波器需求分析35-36
• 3.3.2 滤波器电路设计36-39
• 3.4 放大电路需求分析及设计39-41
• 3.4.1 放大电路需求分析39
• 3.4.2 放大电路设计39-41
• 3.5 接收阵列子系统性能测试41-46
• 3.5.1 接收电路硬件相位一致性测试41-43
• 3.5.2 接收阵列子系统整体一致性测试43-44
• 3.5.3 幅值一致性44-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 信号处理子系统硬件设计47-64
• 4.1 模拟数字转换电路硬件设计47-52
• 4.1.1 ADC模块需求分析与设计48-50
• 4.1.1.1 ADC需求分析48-49
• 4.1.1.2 ADC模块设计49-50
• 4.1.2 FPGA模块设计50-51
• 4.1.3 SRAM模块51-52
• 4.2 控制管理电路板硬件设计52-55
• 4.2.1 CPU模块选择53-54
• 4.2.2 CPU载板设计54-55
• 4.3 数据采集与实时传输55-59
• 4.3.1 数据采集55-56
• 4.3.2 实时数据传输56-59
• 4.3.2.1 板间通信接口硬件结构56-57
• 4.3.2.2 LVDS总线工作过程57-58
• 4.3.2.3 虚拟FIFO58-59
• 4.4 信号处理子系统性能测试59-63
• 4.4.1 信噪比测试59-61
• 4.4.2 系统的总吞吐速率测试61
• 4.4.3 幅值相位一致性测试61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 算法仿真及系统定位实验64-75
• 5.1 算法仿真64-67
• 5.1.1 输入信号模拟64
• 5.1.2 定位算法仿真64-67
• 5.2 系统定位实验67-74
• 5.2.1 空气声信号采集实验68-70
• 5.2.2 声源定位实验及结果分析70-74
• 5.2.2.1 声源定位算法运行过程70-71
• 5.2.2.2 声源定位实验71-74
• 5.3 本章小结74-75
• 第6章 结论75-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-83
• 个人简介83-84
• 在学期间研究成果84-85
• 设计图纸85-98
• 图纸A：主板设计图（部分）85-94
• 图纸A-1：COMe模块设计图85-86
• 图纸A-2：电源模块设计图86-87
• 图纸A-3：SRAM模块设计图87-88
• 图纸A-4：USB模块设计图88-89
• 图纸A-5：LAN口设计图89-90
• 图纸A-6：VGA及SATA模块设计图90-91
• 图纸A-7：PCIE to PCI设计图91-92
• 图纸A-8：FPGA设计图 192-93
• 图纸A-9：FPGA设计图 293-94
• 图纸B：信号采集电路设计图（部分）94-97
• 图纸B-1：ADC接口设计图94-95
• 图纸B-2：ADC模块设计图95-96
• 图纸B-3：ADC电源模块设计图96-97
• 图纸C：预处理电路设计图（部分）97-98
• 图纸C-1：滤波放大电路设计图97-98
• 图纸C-2：外部接口设计图98

【参考文献】

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本文编号：856213