一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法；该方法首先将n部手机以固定间隔部署成线阵，建立网络通信并测量手机之间的距离；当目标发出声信号时，同时打开所有n部手机的麦克风，开始录制目标声源的音频信号；然后录下基手机播放的chirp信号后关闭麦克风；采用广义互相关的方法来检测所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻；再同步n部手机所录到的n段目标声源信号；最后采用阵列信号处理方法将同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。本发明专利技术具有易快速部署，成本低以及波达角估计精度比较高的特点，在低空无人机检测，野外救助等领域具有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法
本专利技术涉及一种波达角估计声阵列系统，尤其涉及一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法。
技术介绍
近年来，随着社会的发展和科技的进步，人们对准确的位置信息的需求越来越多，对于定位技术的研究受到广泛的关注。声信号作为日常生活中易获得的一种信息，正成为定位技术的一个研究热点。而基于麦克风的声阵列技术作为声信号定位技术的一个重要分支，是我们关注的研究点。目前高质量的定制声阵列设备对于角度的估计已经达到较高的精度，但由于其制作成本较高，部署较难且迟缓，难以迅速推广使用。另一方面，近年来智能手机强大的信息处理能力、完善的硬件配置及低成本特征使其成为了生活中不可或缺的设备。考虑到智能手机拥有麦克风、扬声器及无线模块等基本固件，可以将其应用到声阵列的定向实验中。目前部分学者对其进行了深入研究，针对手机阵列的关键问题—时钟同步，通过对带操作系统的智能手机阵列进行内核和驱动的修改，来解决智能手机之间的时钟不同步问题，但对于内核和驱动需要专门的技术进行修改，在用户层面不易操作，缺乏普适性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，该系统的实现主要包括以下步骤：(1)将n部手机以固定间隔部署成线阵，并测量手机之间的距离，n为大于等于2的正整数；(2)在同一个局域网内，所述n部手机建立网络通信，从n部手机中任意选取一部作为基手机，作为控制端；当目标发出声信号时，由基手机发出指令，同时打开所有n部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号；(3)经步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后，基手机播放时间长度为t，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，t为30ms-70ms；n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风，基手机发送指令，控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号；(4)采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻；(5)由步骤1中所测手机之间的距离，计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差，利用后事件同步及RBS的同步机制，通过采样点计数的方法，以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准，对齐n段chirp信号，即同步n部手机所录到的n段目标声源信号；(6)采用阵列信号处理方法将步骤(5)同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。进一步地，所述步骤1中，所述固定间隔为阵元间隔，所述阵元间隔小于目标声源波长的一半。智能手机Si的扬声器到智能手机Sj的麦克风的距离定义为进一步地，所述步骤2中，所述局域网由路由器建立，为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号为宽带音频信号。进一步地，所述步骤2和3中，每部手机录制的音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。进一步地，所述步骤4具体为，假设两个阵元各自所录的两段音频信号为x1(t)＝s(t)+n1(t)和x2(t)＝s(t-τ*)+n2(t)，其中s(t)为原始chirp信号，τ*为传播时延，n1(t)和n2(t)为加性高斯白噪声，互不相关，且与原始信号s(t)相互独立。采用广义相关技术，其中，表示信号x1(t)和x2(t)的互相关表示，其中E[·]代表互相关运算，表示由于时延得到的两个不同阵元之间信号的互相关结果，τ为时间变量。由于互相关值Rss(τ-τ*)≤0，因此当τ＝τ*时得到广义互相关的最大值，对应的时间τ即为τ*的时延估计，从而检测到chirp信号到达时刻。进一步地，所述步骤(5)具体为：根据测量得到由为智能手机Si相对手机Sj的所录同一信号由距离产生的时间延迟，c为声速，由公式可以计算出即手机Si相对手机Sj由于时延产生的采样点的偏差，其中fs为手机的采样频率，为44.1KHz，从而利用采样点的偏差和权利要求5中的检测的到达时刻，实现目标音频信号的时钟同步。进一步地，所述步骤(6)中：根据步骤5的n段目标声源信号，采用鲁棒性较高的超分辨率MUSIC阵列信号处理方法来实现波达角的估计。本专利技术的有益效果是，本专利技术无需依靠定制声阵列设备，仅仅依靠智能手机自带的麦克风、扬声器和处理器，通过WiFi建立通信，即可快速部署，实现目标声源的波达角估计，克服了传统设备成本较高以及部署困难且缓慢的劣势。同时区别于传统的时钟同步交换时间戳的同步方式，采用后事件及RBS同步机制，实现了规避涉及操作系统且易于普及的简易时钟同步，通过实际系统实验验证，在25m*40m的室外操场上，当目标距离阵元为25m时，在各个方向上，宽带信号的角度估计误差在90％概率下达到4.5度以下，保证了较高的估计精度。附图说明图1为本专利技术的系统实验布局示意图；图2为本专利技术的系统两部手机之间尺寸量测示意图；图3为本专利技术的广义互相关算法示意图；图4为本专利技术的信号处理流程图；图5为本专利技术的软件架构图；图6为本专利技术的宽带信号波达角估计累积误差概率密度分布图。具体实施方式：本专利技术是基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，具体信号处理流程和软件架构流程如图4和图5所示。首先当目标声源事件发生后，基手机通过WiFi以及预先写好的网络控制程序控制n部安卓智能手机录制目标声源的音频信号，录完预设的时间后，麦克风依旧处于开启状态，直到基手机控制自身打开扬声器发出chirp信号，并由n部手机录下chirp音频信号，然后基手机控制所有手机关闭麦克风并上传n段音频信号至服务器，服务器通过运行广义互相关算法，检测chirp信号的到达时刻。并通过预先测量的手机之间的距离参数，基于后事件及RBS同步机制，消除同步偏差，得到同步的目标声源信号。最后运行超分辨率MUSIC阵列信号处理算法，在线处理得到目标声源波达角的估计值。本专利技术基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，包括以下步骤：1、将n部手机以固定间隔部署成线阵，如图1所示，并测量手机之间的距离，n为大于等于2的正整数。所述固定间隔为：所述阵元间隔要求小于目标声源波长的一半。智能手机Si的扬声器到智能手机Sj的麦克风的距离定义为如图2所示为两部智能手机之间的距离示意图以及智能手机固有尺寸。2、在同一个局域网内，所述n部手机建立网络通信，从n部手机中任意选取一部作为基手机，作为控制端，软件控制架构如图5所示；当目标发出声信号时，由基手机发出指令，同时打开所有n部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号。所述局域网由路由器建立，为智能手机所支持的无线通信协议WiFi无线网络。所述目标声源的音频信号一般为宽带音频信号。3、在步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后，基手机播放时间长度为t，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，t为30ms-70ms；n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风，基手机发送指令，控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号。所述步骤2、步骤3中，每部手机录制了一段音频信号，该段音频信号由目标声源的音频信号和chirp信号组成。4、采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自ch本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，其特征在于，该系统的实现主要包括以下步骤：(1)将n部手机以固定间隔部署成线阵，并测量手机之间的距离，n为大于等于2的正整数。(2)在同一个局域网内，所述n部手机建立网络通信，从n部手机中任意选取一部作为基手机，作为控制端；当目标发出声信号时，由基手机发出指令，同时打开所有n部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号。(3)经步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后，基手机播放时间长度为t，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，t为30ms‑70ms；n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风，基手机发送指令，控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号。(4)采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻。(5)由步骤1中所测手机之间的距离，计算chirp信号到达基手机和到达其余n‑1部手机的时间差，利用后事件同步及RBS的同步机制，通过采样点计数的方法，以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准，对齐n段chirp信号，即同步n部手机所录到的n段目标声源信号。(6)采用阵列信号处理方法将步骤(5)同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。...

【技术特征摘要】
1.一种基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，其特征在于，该系统的实现主要包括以下步骤：(1)将n部手机以固定间隔部署成线阵，并测量手机之间的距离，n为大于等于2的正整数。(2)在同一个局域网内，所述n部手机建立网络通信，从n部手机中任意选取一部作为基手机，作为控制端；当目标发出声信号时，由基手机发出指令，同时打开所有n部手机的麦克风，并开始录制目标声源的音频信号。(3)经步骤2录下一段预设长度的目标声源的音频信号后，基手机播放时间长度为t，频率在3KHz～8KHz的chirp信号，t为30ms-70ms；n部手机录下该chirp信号后关闭麦克风，基手机发送指令，控制n部手机通过局域网向服务器传输n段录制的音频信号。(4)采用广义互相关的方法来检测步骤3所录的n段音频信号中各自chirp信号的到达时刻。(5)由步骤1中所测手机之间的距离，计算chirp信号到达基手机和到达其余n-1部手机的时间差，利用后事件同步及RBS的同步机制，通过采样点计数的方法，以步骤3中检测到的每部手机的chirp信号的到达时刻为基准，对齐n段chirp信号，即同步n部手机所录到的n段目标声源信号。(6)采用阵列信号处理方法将步骤(5)同步后的n段目标声源的音频信号进行波达角估计，估计目标的方位角。2.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，其特征在于，所述步骤1中，所述固定间隔为阵元间隔，所述阵元间隔小于目标声源波长的一半。智能手机Si的扬声器到智能手机Sj的麦克风的距离定义为3.根据权利要求1所述基于智能手机声阵列的波达角估计系统实现方法，其特征在于，所述步骤2中，所述局域网由路由器建立，为智能手机所支持的无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智，李贵楠，孙鹏，林峰，黄逸帆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33