短时脉冲声源定位技术研究

发布时间：2017-06-20 01:06

  本文关键词：短时脉冲声源定位技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：声源定位技术具有精度高、不受视线和能见度限制等特点,广泛应用于工业、医疗、军事和办公等领域。高精度声源定位一直是无线定位技术领域的重要问题。碰撞声、掌声、枪炮声等短时脉冲声信号普遍存在于生产和生活环境中,常伴随突发事件产生且其持续时间为毫秒级。高精度无源短时脉冲声源定位技术是机器人、智能车辆、人机交互等系统中感知外界环境的手段之一,研究有效的定位方法并开发定位装置具有重要的研究与应用价值。本文在分析短时脉冲声信号特性以及常用定位方法特点基础上,重点研究了基于TDOA的短时脉冲声源定位算法和基于子空间的短时脉冲声源定位算法及其工程化实现方法,在TMS320VC5502 DSP平台上开发了短时脉冲声源定位装置,并进行了定位性能测试。主要内容如下:(1)分析了短时脉冲声信号的时频特性以及常用信号检测方法对短时脉冲声信号的适用性,考虑检测效率及准确率要求,确定了执行速度最快的幅值检测法作为短时脉冲声信号的检测方案。研究了基于TDOA和基于子空间的短时脉冲声源定位算法,仿真分析了两种算法的定位性能,基于MUSIC算法理论提出并实现了一种适于短时脉冲声信号的多频近场源定位方法;(2)设计了短时脉冲声源定位的信号处理流程,搭建了短时脉冲声源定位系统硬件装置,可实现模拟信号的接收放大、多路并行AD采样、数字信号的算法处理以及定位结果显示等功能;(3)研究基于TDOA和基于子空间的短时脉冲声源定位算法的工程实现问题,解决了信号互相关序列求解和二维谱峰搜索运算效率低以及复数接收矩阵构造和复数协方差矩阵特征值与特征向量求解等相关理论算法的硬件实现问题,在此基础上设计并实现了短时脉冲声源定位的软件程序。(4)搭建了系统测试环境,测试了定位系统的AD采样、信号检测、定位计算等功能,以及基于TDOA和基于子空间的短时脉冲声源定位算法的运行效率及定位精度。测试结果表明,本文设计的定位系统能够对目标信号持续时间为毫秒级的短时脉冲声源进行实时定位,在近距离定位情况下的定位精度可达厘米级。本文主要创新包括:(1)提出一种适用于短时脉冲声源的多频近场源定位硬件实现方法,该方法通过对传感器接收数据进行正交变换获得复数观测矩阵,应用特征值分解的相似变换方法求解复数协方差矩阵的特征值和特征向量,构造噪声子空间,考虑信源信号频谱特点,建立适用于多频信号的谱函数,由谱峰搜索获得信源定位结果,将2D-MUSIC近场源定位算法拓展应用于实际的短时脉冲声源定位系统。(2)提出了基于TDOA的短时脉冲声源定位算法的硬件实现方法,应用幅值法检测信号,利用互相关方法计算短时脉冲声信号的时间延迟,由Chan算法求解双曲线定位方程,硬件定位计算时间约0.06s。上述研究可为家用机器人、无人车辆等系统提供无线定位解决方案,为交互电子白板等人机交互产品开发提供技术参考。
【关键词】：声源定位 脉冲声源 MUSIC TDOA DSP
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN912.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13
• 1.3 主要研究工作及内容安排13-14
• 1.4 本章小节14-15
• 第2章 短时脉冲声源信号特性及检测方法15-23
• 2.1 短时脉冲声源信号时频特征分析15-17
• 2.2 短时脉冲声信号检测17-21
• 2.2.1 幅值检测法18
• 2.2.2 平均能量检测法18-19
• 2.2.3 信噪比检测法19-20
• 2.2.4 信号检测方法比较20-21
• 2.3 本章小结21-23
• 第3章 短时脉冲声源定位算法23-39
• 3.1 基于到达时延的定位算法23-29
• 3.1.1 信号TDOA估计23-25
• 3.1.2 双曲线定位方程求解25-29
• 3.2 基于特征子空间的定位算法29-33
• 3.2.1 基于特征子空间类近场源定位算法的空间模型30-31
• 3.2.2 近场源定位的 2D-MUSIC算法31-33
• 3.3 适用于短时脉冲声源定位的多频近场源定位方法33-37
• 3.3.1 复数观测矩阵构造33-35
• 3.3.2 复数协方差矩阵的特征值和特征向量求解35-36
• 3.3.3 适于多频线谱信号的谱峰搜索函数构造36-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第4章 短时脉冲声源定位系统硬件设计39-48
• 4.1 模拟信号接收模块电路设计39-43
• 4.1.1 声学传感器40
• 4.1.2 运算放大电路40-43
• 4.2 数字信号处理模块电路设计43-46
• 4.2.1 DSP最小系统44-45
• 4.2.2 AD采样电路45-46
• 4.3 定位结果显示模块电路设计46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 短时脉冲声源定位系统软件设计48-65
• 5.1 硬件装置初始化程序49-50
• 5.2 信号检测程序50-52
• 5.3 信号预处理程序52-53
• 5.4 基于TDOA的声源定位算法程序53-59
• 5.4.1 信号TDOA计算程序53-56
• 5.4.2 双曲线方程求解算法程序56-59
• 5.5 基于子空间的近场声源定位算法程序59-63
• 5.5.1 复数接收矩阵构造程序60-61
• 5.5.2 谱峰搜索程序61-63
• 5.6 本章小结63-65
• 第6章 短时脉冲声源定位系统测试及性能分析65-80
• 6.1 硬件装置功能测试65-68
• 6.1.1 多通道信号采样测试65-67
• 6.1.2 短时脉冲信号检测测试67
• 6.1.3 算法运行效率测试67-68
• 6.2 TDOA定位算法定位结果测试68-74
• 6.2.1 信号TDOA估计测试68-69
• 6.2.2 离散点定位性能测试69-74
• 6.3 子空间类定位算法结果测试74-78
• 6.4 系统性能指标及误差分析78
• 6.5 本章小节78-80
• 第7章 全文总结及展望80-82
• 参考文献82-86
• 作者简介及科研成果86-87
• 致谢87-88

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