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基于麦克风阵列的声源被动定位系统设计
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2020-10-16
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为了优化声源被动定位技术,以及降低功耗、提高精度、增强对人员不易到达的恶劣环境等区域的声源监测能力,设计了一种基于麦克风阵列的声源被动定位系统。以五元十字形为麦克风阵列模型,以FPGA为核心,采用VHDL编写逻辑控制程序对数据采集、读取过程进行控制, 通过USB接口与上位机通信,主要设计了放大和接口电路模块。测试结果表明,系统定位距离准确,相对误差较小,满足系统设计要求。
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基于麦克风阵列的声源被动定位系统设计基于麦克风阵列的声源被动定位系统设计
为了优化声源被动定位技术,以及降低功耗、提高精度、增强对人员不易到达的恶劣环境等区域的声源监测能
力,设计了一种基于麦克风阵列的声源被动定位系统。以五元十字形为麦克风阵列模型,以FPGA为核心,采用
VHDL编写逻辑控制程序对数据采集、读取过程进行控制, 通过USB接口与上位机通信,主要设计了放大和接口
电路模块。测试结果表明,系统定位距离准确,相对误差较小,满足系统设计要求。
0 引言引言
声源目标定位主要是利用传声器阵列接收被监测信号,进而确定被监测声源在声场中相对于已知位置的角度和距离,即角
度估计(Angle Estimating)和距离估计(Range Estimating)
[1]
。随着数据采集系统速度、分辨率提高及小型化、低功耗等
性能的提高,声源定位系统的性能也在不断提高
[2]
。本文提出的基于麦克风阵列的声源被动定位系统,旨在获得定位精度高、
体积小、低功耗的声目标定位系统,对于军用仓库、人员不易达到的恶劣环境等区域的声源监测具有重要的使用意义。
1 方案设计方案设计
麦克风阵列被动声源定位系统的整体方案如图1所示。系统由两大部分构成,分别是信号获取的硬件部分和系统控制及算法
实现的软件部分。
信号获取部分主要包括:端麦克风阵列、阻抗匹配电路、抗混叠滤波电路、增益可调电路、ADC同步采样电路、Flash数据
存储、USB同步传输、FPGA控制模块和电源模块等。声源信号在空气中传播到达麦克风阵列,由模拟接口电路将信号传输到
阻抗匹配电路,消除尖刺、抖动现象,使信号稳定。然后经过四阶抗混叠滤波电路,滤除掉其中的无用噪声,提高信噪比
[3]
。
因为传声器输出是很微弱的电信号,在前端用增益可调的电路模块对其进行可调性放大。放大之后经过A/D转换把模拟量变成
数字量,FPGA控制数据通过USB接口实时上传给上位机处理。系统控制及算法实现部分主要作用是给采集系统下发命令,对
上传的数据根据到达时间差算法的原理进行计算,实现声源相对于参考阵元的方位和距离的估计。
2 硬件电路设计硬件电路设计
实际的十字形麦克风阵列摆放如图2所示。图中,M1,M2,…M5表示十字阵列的5个十字形拓扑的5个阵元,M1为参考阵
元。
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