本文關鍵詞：短時脈沖聲源定位技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：聲源定位技術具有精度高、不受視線和能見度限制等特點,廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事和辦公等領域。高精度聲源定位一直是無線定位技術領域的重要問題。碰撞聲、掌聲、槍炮聲等短時脈沖聲信號普遍存在于生產(chǎn)和生活環(huán)境中,常伴隨突發(fā)事件產(chǎn)生且其持續(xù)時間為毫秒級。高精度無源短時脈沖聲源定位技術是機器人、智能車輛、人機交互等系統(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發(fā)定位裝置具有重要的研究與應用價值。本文在分析短時脈沖聲信號特性以及常用定位方法特點基礎上,重點研究了基于TDOA的短時脈沖聲源定位算法和基于子空間的短時脈沖聲源定位算法及其工程化實現(xiàn)方法,在TMS320VC5502 DSP平臺上開發(fā)了短時脈沖聲源定位裝置,并進行了定位性能測試。主要內(nèi)容如下:(1)分析了短時脈沖聲信號的時頻特性以及常用信號檢測方法對短時脈沖聲信號的適用性,考慮檢測效率及準確率要求,確定了執(zhí)行速度最快的幅值檢測法作為短時脈沖聲信號的檢測方案。研究了基于TDOA和基于子空間的短時脈沖聲源定位算法,仿真分析了兩種算法的定位性能,基于MUSIC算法理論提出并實現(xiàn)了一種適于短時脈沖聲信號的多頻近場源定位方法;(2)設計了短時脈沖聲源定位的信號處理流程,搭建了短時脈沖聲源定位系統(tǒng)硬件裝置,可實現(xiàn)模擬信號的接收放大、多路并行AD采樣、數(shù)字信號的算法處理以及定位結果顯示等功能;(3)研究基于TDOA和基于子空間的短時脈沖聲源定位算法的工程實現(xiàn)問題,解決了信號互相關序列求解和二維譜峰搜索運算效率低以及復數(shù)接收矩陣構造和復數(shù)協(xié)方差矩陣特征值與特征向量求解等相關理論算法的硬件實現(xiàn)問題,在此基礎上設計并實現(xiàn)了短時脈沖聲源定位的軟件程序。(4)搭建了系統(tǒng)測試環(huán)境,測試了定位系統(tǒng)的AD采樣、信號檢測、定位計算等功能,以及基于TDOA和基于子空間的短時脈沖聲源定位算法的運行效率及定位精度。測試結果表明,本文設計的定位系統(tǒng)能夠對目標信號持續(xù)時間為毫秒級的短時脈沖聲源進行實時定位,在近距離定位情況下的定位精度可達厘米級。本文主要創(chuàng)新包括:(1)提出一種適用于短時脈沖聲源的多頻近場源定位硬件實現(xiàn)方法,該方法通過對傳感器接收數(shù)據(jù)進行正交變換獲得復數(shù)觀測矩陣,應用特征值分解的相似變換方法求解復數(shù)協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量,構造噪聲子空間,考慮信源信號頻譜特點,建立適用于多頻信號的譜函數(shù),由譜峰搜索獲得信源定位結果,將2D-MUSIC近場源定位算法拓展應用于實際的短時脈沖聲源定位系統(tǒng)。(2)提出了基于TDOA的短時脈沖聲源定位算法的硬件實現(xiàn)方法,應用幅值法檢測信號,利用互相關方法計算短時脈沖聲信號的時間延遲,由Chan算法求解雙曲線定位方程,硬件定位計算時間約0.06s。上述研究可為家用機器人、無人車輛等系統(tǒng)提供無線定位解決方案,為交互電子白板等人機交互產(chǎn)品開發(fā)提供技術參考。
【關鍵詞】：聲源定位 脈沖聲源 MUSIC TDOA DSP
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 國內(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 短時脈沖聲源信號特性及檢測方法15-23
• 2.1 短時脈沖聲源信號時頻特征分析15-17
• 2.2 短時脈沖聲信號檢測17-21
• 2.2.1 幅值檢測法18
• 2.2.2 平均能量檢測法18-19
• 2.2.3 信噪比檢測法19-20
• 2.2.4 信號檢測方法比較20-21
• 2.3 本章小結21-23
• 第3章 短時脈沖聲源定位算法23-39
• 3.1 基于到達時延的定位算法23-29
• 3.1.1 信號TDOA估計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 基于特征子空間類近場源定位算法的空間模型30-31
• 3.2.2 近場源定位的 2D-MUSIC算法31-33
• 3.3 適用于短時脈沖聲源定位的多頻近場源定位方法33-37
• 3.3.1 復數(shù)觀測矩陣構造33-35
• 3.3.2 復數(shù)協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量求解35-36
• 3.3.3 適于多頻線譜信號的譜峰搜索函數(shù)構造36-37
• 3.4 本章小結37-39
• 第4章 短時脈沖聲源定位系統(tǒng)硬件設計39-48
• 4.1 模擬信號接收模塊電路設計39-43
• 4.1.1 聲學傳感器40
• 4.1.2 運算放大電路40-43
• 4.2 數(shù)字信號處理模塊電路設計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 定位結果顯示模塊電路設計46-47
• 4.4 本章小結47-48
• 第5章 短時脈沖聲源定位系統(tǒng)軟件設計48-65
• 5.1 硬件裝置初始化程序49-50
• 5.2 信號檢測程序50-52
• 5.3 信號預處理程序52-53
• 5.4 基于TDOA的聲源定位算法程序53-59
• 5.4.1 信號TDOA計算程序53-56
• 5.4.2 雙曲線方程求解算法程序56-59
• 5.5 基于子空間的近場聲源定位算法程序59-63
• 5.5.1 復數(shù)接收矩陣構造程序60-61
• 5.5.2 譜峰搜索程序61-63
• 5.6 本章小結63-65
• 第6章 短時脈沖聲源定位系統(tǒng)測試及性能分析65-80
• 6.1 硬件裝置功能測試65-68
• 6.1.1 多通道信號采樣測試65-67
• 6.1.2 短時脈沖信號檢測測試67
• 6.1.3 算法運行效率測試67-68
• 6.2 TDOA定位算法定位結果測試68-74
• 6.2.1 信號TDOA估計測試68-69
• 6.2.2 離散點定位性能測試69-74
• 6.3 子空間類定位算法結果測試74-78
• 6.4 系統(tǒng)性能指標及誤差分析78
• 6.5 本章小節(jié)78-80
• 第7章 全文總結及展望80-82
• 參考文獻82-86
• 作者簡介及科研成果86-87
• 致謝87-88

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本文編號：464194