[发明专利]一种基于智能手机的被动声源定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种声源定位方法，尤其涉及一种基于智能手机的被动声源定位方法。

背景技术

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(TOA)、波达时间差(TDOA)和波达方向角(AOA)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，TDOA和AOA更适合应用在被动式目标定位中。AOA是基于相位获得波达方向角的估计，它可以实现多目标定位，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，TDOA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。

发明内容

本发明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，本发明采取如下技术方案：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。

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2k-6kHz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。

进一步地，所述步骤(3)包括以下子步骤：

(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，可以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＝{x₁、x₂…x_N}，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：

H₀:x_i～ω₀(8)

H₁:x_i～ω₁

其中，x_i∈X，ω₀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x_Δτ拒绝H₀，接受H₁，所服从的概率密度函数将从ω₀变为ω₁。