一种基于智能手机的被动声源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于智能手机的被动声源定位方法，该方法以智能手机替代定制硬件作为网络节点，以纯软件的方式，控制手机的麦克风和扬声器，依次发送2k-6kHz的线性调频声信号(LFM)，同时，以固定频率(44.1kHz)对其采样，以广义互相关的方式对采样波形检波，借助TPSN的思想，实现不同手机节点同步。之后，各手机节点可以对被动目标声源发出的声信号采样，本发明专利技术采用改进后的统计判决理论和语音活动性检测(VAD)结合的方法，估计目标声源信号的到达时间以获得波达时间差(TDOA)，最后实现对其位置的估计。该方法不需要定制硬件模块，可规避节点间无线同步到声信号采集间的时间延迟不确定性，可用采样点数对声信号到达时间精确估计，精度高，成本低，组网方便，前景广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种声源定位方法，尤其设及一种基于智能手机的被动声源定位方 法。
技术介绍
被动式目标定位技术能根据非合作式被检测目标特性，实现对其精确定位。与主 动式或协同式目标定位不同，被动式目标定位技术在军事、移动通讯和无线电监测等领域 的应用更为广泛，意义更为重大，如枪声定位、移动机器人定位和智能会议等。相对于无线 信号和超声波来说，基于声信号传播时间进行测量的定位技术具有低频、低速、低能耗、易 同步的优点，且声学特征明显不易消除，更容易满足被动式目标的高精度定位的需求，而且 无需额外的定制硬件的支持、成本低廉。常用的基于测量信号传播时间的定位技术有波达 时间（T0A)、波达时间差（TD0A)和波达方向角（A0A)等算法，分别是在实现信标节点时钟同 步的基础上，对被动式声源信号到信标节点的波达时间或波达方向角进行量测，进而获得 目标声源位置信息的估计。其中，TD0A和A0A更适合应用在被动式目标定位中。A0A是基 于相位获得波达方向角的估计，它可W实现多目标定位，但是数学模型是在远场假设下建 立的，应用受限，定位精度较差，不满足高精度的需求。相比较而言，TD0A能够基于时延获 得到达时间差的估计，实现单目标或者非临近可区分的多目标定位，适用范围更广，而且精 度高。 国内外研究机构针对目标声源的定位提出了许多实用的技术方案，根据硬件平台 特性可归结为两类：第一类，设计专用硬件模块，并借助无线信号或者超声波等其他类型信 号实现目标声源的定位，成本高，能耗大。第二类，采用通用的智能手机为节点，利用手机内 置的麦克风和扬声器，但仅能实现主目标声源的定位。需要特别指出的，现有的需要节点之 间时钟同步的技术方案，无法规避节点间无线同步到声信号采集间的时间延迟不确定性引 起的测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术上的不足之处，提供一种基于智能手机的被动声 源定位方法。 为了实现上述的目的，本专利技术采取如下技术方案：一种基于智能手机的被动声源 定位方法，包括W下步骤： (1)将智能手机作为声阵列传感器网络的节点，对声阵列传感器网络进行系统部 署，组建无线局域网； (2)对不同手机节点进行时钟同步：将其中一部智能手机作为控制节点，在其他 手机节点的麦克风打开之后，控制它们依次发送和采样LFM，对采样信号做预处理，之后W 广义互相关的方式对采样波形检波，借助TPSN的思想，实现不同手机节点同步； (3)采用改进后的统计判决理论和语音活动性检测（VAD)结合的方法，估计目标 声源信号的到达时间W获得TDOA; (4)利用基于TD0A双曲线模型的伪线性最小二乘定位算法定位被动目标。 进一步地，所述步骤（1)具体为：选择其中一部手机作为控制节点，通过热点共享 的方式，建立无线局域网，并将其他节点接入该局域网；当接入手机节点的个数超过上限 时，借助无线路由器建立无线局域网，此时，也可从传输数据的便利性出发，将PC接入该局 域网。 进一步地，所述步骤（2)具体为：让作为控制节点的手机控制其他手机节点实现 多路感知协议，即在确保其他手机节点的麦克风打开之后，依次通过扬声器发出化-6曲Z 的LFM信号，同时，各手机节点的麦克风对其进行采样，对采样信号做预处理，之后W广义 互相关的方式对采样波形检波，借助TPSN的思想，实现不同手机节点同步。 进一步地，所述步骤（3)包括W下子步骤： (3. 1)由于被动声源信号不可知，不能采用互相关的方法对其到达时间进行估计， 可W采用基于统计判决理论的检波手段，来达到估计信号到达时间的目的，具体为： 假设手机麦克风采样得到的序列为x= {xi、X2，其中N表示采样序列的长度。 由二元信号假设检验的方法将基于统计判决理论的检波问题描述为：[001 引Η0:χ;~ω。做 ~ω1 其中，XiGX，ω。是背景噪声的概率密度函数，ω1是有用信号的概率密度函数； 在Δτ时刻，序列元素Χ&Ι拒绝Η。，接受Hi,所服从的概率密度函数将从ω。变为ω1。[001引取似然函数l(Xi) = (Xi-μ)，其中μ是背景噪声的均值，则到达时间Td=inf化 |Sk>h)，满足Sm>h，m=k，...k+W，其中Sk=max怯k1+1(?)，0}，S〇= 0 巧） 而h是判定阔值，W是为降低虚警误差而设置的检测窗口。对得到的Sk序列做能 量谱分析，在归一化之后选定判定阔值h，0<h《0. 05,优选0. 02。 (3. 2)鉴于步骤化1)中所得到达时间结果总是略早，引入语音信号检测中的VAD 判决方法得到到达时间，对τd进行加权修正，VAD的具体方法为： 选用短时能量E和单帖信号短时过零率ZCR作为判决特征：其中N为单帖帖长，X(η)表示单帖信号序列中的第η个值，引入Hangover算法对 判决口限进行优化。 本专利技术的有益效果是：本专利技术W通用的智能手机为硬件支持，替代专口的定制硬 件模块做节点，不仅适用于主动目标声源，也适用于被动目标声源。本专利技术单一化的利用声 信号，简化了系统的复杂度，而且规避节点间无线同步到声信号采集间的时间延迟不确定 性，可用采样点数对声信号到达时间精确估计，精度高，成本低，组网方便，前景广泛。【附图说明】 图1是本专利技术中两部手机为例的同步过程； 图2是本专利技术中FIR带通滤波器的频率响应，（a)为FIR带通滤波器的幅频响应， 化）为FIR带通滤波器的相频响应； 图3是本专利技术中维纳滤波前后信号的时域和时频域的对比图，（a)为处理前的含 噪信号，化）为维纳滤波后的信号，（C)为处理前的含噪信号谱图，（d)为维纳滤波后的信号 谱图； 图4是本专利技术中序列Sk; 图5是本专利技术中序列Sk的归一化能量谱； 图6是本专利技术中VAD流程图； 图7是本专利技术中VAD检测结果示例； 图8是本专利技术中信标和未知结点的坐标和分布图； 图9是本专利技术中Ξ个目标的TD0A误差CDF图，（a)为目标一的TD0A估计误差CDF 图，化）为目标二的TD0A估计误差CDF图，（C)为目标Ξ的TD0A估计误差CDF图； 图10是本专利技术中目标结点的定位误差的CDF图。【具体实施方式】 本专利技术在原有的采用预先设置好的线性调频信号，基于智能手机的声阵列主动性 自定位的基础上，采用统计判决理论和语音活动性检测（VAD)，对观测到的声源信号进行联 合检波并获得被动目标声源到手机间的TD0A，精度高，成本低，灵活性强。 本专利技术基于智能手机的被动声源定位方法，包括W下步骤： 1、将智能手机作为声阵列传感器网络的节点，对声阵列传感器网络进行系统部 署，组建无线局域网； 该方法包括一个控制节点和若干个位置固定的信标节点组成的传感器网络，每个 节点即一部智能手机。由于智能手机内嵌麦克风和扬声器的性能所限，节点的感知半径最 大可W达到50m，区域可W设置为45mX45m，系统部署完成后，对其进行初始化。初始化的 过程，即让其中一部手机为控制节点，通过热点共享的方式，建立无线局域网，并将其他节 点接入该局域网。考虑到用手机来提供热点时，接入手机节点的各数上限为8个，可W借助 无线路由器建立无线局域网，此时，也可从传输数据的便利性出发，将PC接入该局域网。 2、对不同手机节点进行时钟同步：通过其中一部智能手本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于智能手机的被动声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将智能手机作为声阵列传感器网络的节点，对声阵列传感器网络进行系统部署，组建无线局域网；(2)对不同手机节点进行时钟同步：将其中一部智能手机作为控制节点，在其他手机节点的麦克风打开之后，控制它们依次发送和采样LFM，对采样信号做预处理，之后以广义互相关的方式对采样波形检波，借助TPSN的思想，实现不同手机节点同步；(3)采用改进后的统计判决理论和语音活动性检测(VAD)结合的方法，估计目标声源信号的到达时间以获得TDOA；(4)利用基于TDOA双曲线模型的伪线性最小二乘定位算法定位被动目标。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王智，方文浩，文祥计，张磊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33