本文關(guān)鍵詞：短時(shí)脈沖聲源定位技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：聲源定位技術(shù)具有精度高、不受視線和能見(jiàn)度限制等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事和辦公等領(lǐng)域。高精度聲源定位一直是無(wú)線定位技術(shù)領(lǐng)域的重要問(wèn)題。碰撞聲、掌聲、槍炮聲等短時(shí)脈沖聲信號(hào)普遍存在于生產(chǎn)和生活環(huán)境中,常伴隨突發(fā)事件產(chǎn)生且其持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)。高精度無(wú)源短時(shí)脈沖聲源定位技術(shù)是機(jī)器人、智能車(chē)輛、人機(jī)交互等系統(tǒng)中感知外界環(huán)境的手段之一,研究有效的定位方法并開(kāi)發(fā)定位裝置具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。本文在分析短時(shí)脈沖聲信號(hào)特性以及常用定位方法特點(diǎn)基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了基于TDOA的短時(shí)脈沖聲源定位算法和基于子空間的短時(shí)脈沖聲源定位算法及其工程化實(shí)現(xiàn)方法,在TMS320VC5502 DSP平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了短時(shí)脈沖聲源定位裝置,并進(jìn)行了定位性能測(cè)試。主要內(nèi)容如下:(1)分析了短時(shí)脈沖聲信號(hào)的時(shí)頻特性以及常用信號(hào)檢測(cè)方法對(duì)短時(shí)脈沖聲信號(hào)的適用性,考慮檢測(cè)效率及準(zhǔn)確率要求,確定了執(zhí)行速度最快的幅值檢測(cè)法作為短時(shí)脈沖聲信號(hào)的檢測(cè)方案。研究了基于TDOA和基于子空間的短時(shí)脈沖聲源定位算法,仿真分析了兩種算法的定位性能,基于MUSIC算法理論提出并實(shí)現(xiàn)了一種適于短時(shí)脈沖聲信號(hào)的多頻近場(chǎng)源定位方法;(2)設(shè)計(jì)了短時(shí)脈沖聲源定位的信號(hào)處理流程,搭建了短時(shí)脈沖聲源定位系統(tǒng)硬件裝置,可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的接收放大、多路并行AD采樣、數(shù)字信號(hào)的算法處理以及定位結(jié)果顯示等功能;(3)研究基于TDOA和基于子空間的短時(shí)脈沖聲源定位算法的工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,解決了信號(hào)互相關(guān)序列求解和二維譜峰搜索運(yùn)算效率低以及復(fù)數(shù)接收矩陣構(gòu)造和復(fù)數(shù)協(xié)方差矩陣特征值與特征向量求解等相關(guān)理論算法的硬件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了短時(shí)脈沖聲源定位的軟件程序。(4)搭建了系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境,測(cè)試了定位系統(tǒng)的AD采樣、信號(hào)檢測(cè)、定位計(jì)算等功能,以及基于TDOA和基于子空間的短時(shí)脈沖聲源定位算法的運(yùn)行效率及定位精度。測(cè)試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)信號(hào)持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)的短時(shí)脈沖聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,在近距離定位情況下的定位精度可達(dá)厘米級(jí)。本文主要?jiǎng)?chuàng)新包括:(1)提出一種適用于短時(shí)脈沖聲源的多頻近場(chǎng)源定位硬件實(shí)現(xiàn)方法,該方法通過(guò)對(duì)傳感器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行正交變換獲得復(fù)數(shù)觀測(cè)矩陣,應(yīng)用特征值分解的相似變換方法求解復(fù)數(shù)協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量,構(gòu)造噪聲子空間,考慮信源信號(hào)頻譜特點(diǎn),建立適用于多頻信號(hào)的譜函數(shù),由譜峰搜索獲得信源定位結(jié)果,將2D-MUSIC近場(chǎng)源定位算法拓展應(yīng)用于實(shí)際的短時(shí)脈沖聲源定位系統(tǒng)。(2)提出了基于TDOA的短時(shí)脈沖聲源定位算法的硬件實(shí)現(xiàn)方法,應(yīng)用幅值法檢測(cè)信號(hào),利用互相關(guān)方法計(jì)算短時(shí)脈沖聲信號(hào)的時(shí)間延遲,由Chan算法求解雙曲線定位方程,硬件定位計(jì)算時(shí)間約0.06s。上述研究可為家用機(jī)器人、無(wú)人車(chē)輛等系統(tǒng)提供無(wú)線定位解決方案,為交互電子白板等人機(jī)交互產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。
【關(guān)鍵詞】：聲源定位 脈沖聲源 MUSIC TDOA DSP
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN912.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-15
• 1.1 研究背景及意義11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀13
• 1.3 主要研究工作及內(nèi)容安排13-14
• 1.4 本章小節(jié)14-15
• 第2章 短時(shí)脈沖聲源信號(hào)特性及檢測(cè)方法15-23
• 2.1 短時(shí)脈沖聲源信號(hào)時(shí)頻特征分析15-17
• 2.2 短時(shí)脈沖聲信號(hào)檢測(cè)17-21
• 2.2.1 幅值檢測(cè)法18
• 2.2.2 平均能量檢測(cè)法18-19
• 2.2.3 信噪比檢測(cè)法19-20
• 2.2.4 信號(hào)檢測(cè)方法比較20-21
• 2.3 本章小結(jié)21-23
• 第3章 短時(shí)脈沖聲源定位算法23-39
• 3.1 基于到達(dá)時(shí)延的定位算法23-29
• 3.1.1 信號(hào)TDOA估計(jì)23-25
• 3.1.2 雙曲線定位方程求解25-29
• 3.2 基于特征子空間的定位算法29-33
• 3.2.1 基于特征子空間類(lèi)近場(chǎng)源定位算法的空間模型30-31
• 3.2.2 近場(chǎng)源定位的 2D-MUSIC算法31-33
• 3.3 適用于短時(shí)脈沖聲源定位的多頻近場(chǎng)源定位方法33-37
• 3.3.1 復(fù)數(shù)觀測(cè)矩陣構(gòu)造33-35
• 3.3.2 復(fù)數(shù)協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量求解35-36
• 3.3.3 適于多頻線譜信號(hào)的譜峰搜索函數(shù)構(gòu)造36-37
• 3.4 本章小結(jié)37-39
• 第4章 短時(shí)脈沖聲源定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)39-48
• 4.1 模擬信號(hào)接收模塊電路設(shè)計(jì)39-43
• 4.1.1 聲學(xué)傳感器40
• 4.1.2 運(yùn)算放大電路40-43
• 4.2 數(shù)字信號(hào)處理模塊電路設(shè)計(jì)43-46
• 4.2.1 DSP最小系統(tǒng)44-45
• 4.2.2 AD采樣電路45-46
• 4.3 定位結(jié)果顯示模塊電路設(shè)計(jì)46-47
• 4.4 本章小結(jié)47-48
• 第5章 短時(shí)脈沖聲源定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)48-65
• 5.1 硬件裝置初始化程序49-50
• 5.2 信號(hào)檢測(cè)程序50-52
• 5.3 信號(hào)預(yù)處理程序52-53
• 5.4 基于TDOA的聲源定位算法程序53-59
• 5.4.1 信號(hào)TDOA計(jì)算程序53-56
• 5.4.2 雙曲線方程求解算法程序56-59
• 5.5 基于子空間的近場(chǎng)聲源定位算法程序59-63
• 5.5.1 復(fù)數(shù)接收矩陣構(gòu)造程序60-61
• 5.5.2 譜峰搜索程序61-63
• 5.6 本章小結(jié)63-65
• 第6章 短時(shí)脈沖聲源定位系統(tǒng)測(cè)試及性能分析65-80
• 6.1 硬件裝置功能測(cè)試65-68
• 6.1.1 多通道信號(hào)采樣測(cè)試65-67
• 6.1.2 短時(shí)脈沖信號(hào)檢測(cè)測(cè)試67
• 6.1.3 算法運(yùn)行效率測(cè)試67-68
• 6.2 TDOA定位算法定位結(jié)果測(cè)試68-74
• 6.2.1 信號(hào)TDOA估計(jì)測(cè)試68-69
• 6.2.2 離散點(diǎn)定位性能測(cè)試69-74
• 6.3 子空間類(lèi)定位算法結(jié)果測(cè)試74-78
• 6.4 系統(tǒng)性能指標(biāo)及誤差分析78
• 6.5 本章小節(jié)78-80
• 第7章 全文總結(jié)及展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-86
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果86-87
• 致謝87-88

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