[发明专利]一种低成本低功耗的声源定向方法

权利要求书

1.一种低成本低功耗的声源定向方法，其特征在于：

所述声源定向方法的硬件系统包括一个单片机、多个麦克风、多个运算放大器和一个通信接口芯片；各个麦克风分别通过运算放大器与单片机的AD接口连接，单片机通过通信接口芯片与计算机连接；

所述声源定位方法的具体步骤如下：

步骤一：对多个麦克风进行一致性筛选；

步骤二：选取四个经过步骤一筛选的麦克风，布置形成十字阵列，将十字阵列对角线上的麦克风两两配对，采用到达时间差的声源定向方法对声源进行定向；

步骤三：将计算结果输出至通信端口；

所述步骤一中对多个麦克风进行一致性筛选，其具体方法如下：将一个扬声器、一个功率放大器、一个数据采集卡、一个麦克风放大滤波器依次连接，放置于密闭隔音环境中；将多个待筛选的麦克风逐个设置在麦克风固定柱上并与麦克风放大滤波器连接测试，待筛选麦克风与扬声器正对设置；数据采集卡外接计算机；

扬声器发出固定的宽带声音信号，M个待筛选麦克风在同一个条件下分别录制M次，待筛选麦克风将接收到的声信号转化为电信号，经放大滤波器后计为x₁(t)、x₂(t)、……、x_M(t)，电信号由数据采集卡通过计算机采集；各待测麦克风经信号采集后，M路信号每2路进行配对互相关系数计算，当某两个待筛选麦克风信号的互相关系数大于设定门限时，这两个待筛选麦克风的一致性满足筛选要求；

所述步骤二中采用到达时间差的声源定向方法对声源进行定向，其具体步骤如下：

步骤1）、确定检测门限，采用恒虚警的检测方法设定检测门限，当信号强度超过检测门限时，则判定有目标信号存在，开始进行信号采集与数据处理，否则继续采集与判断；

上述确定检测门限的方法如下：

将AD转化的数据从0到最大值AD_Max分为N个等分，称为N个段；准备一个数组E，长度为N；这个数组依次存放数据采集中落入各段的数据的个数；其中数组下标0对应的是最小的段，N对应最大的段；

对每一路麦克风信号，进行如下运算：每采集到一个数据，便判断该数据处于哪个段，然后令该段对应的数组中的元素加1；依此类推，直至用于计算检测门限的数据个数L采集完成；

从数组的最大端E(N)开始累加，SE = E(N)+E(N-1)+……+E(k)，每加一次，就与L×P的值相比较， P为虚警概率，直至累加和SE大于L×P；此时，记录数值的下标k；k×AD_MAX/N就是计算出的检测门限值；

步骤2）、时延估计，利用广义互相关时延估计算法对对角线上相互垂直的两对麦克风对的输出进行时延估计：

设声速c，采样频率为fs，麦克风间距d，帧长为K；

计算最大时延点数n_max=df/c，需要将时延点数-n_max到+n_max之间的结果保存，为此设置一个长度为2n_max+1的数组A，用于存放下面的计算结果；

将阵元1数组中的数据X₁(i)不变，右移阵元3数组X₃(i)中的数据右移0格、1格、……、n_max格，依此运用单片机自有的专用硬件乘法器对错位后的两个数组对应的数据进行相乘并求和，存于数组A(n_max+1)~A(2n_max+1)中，再将阵元3数组中的数据左移1格、2格，……，+1格，再进行相乘求和存放于数组A(n_max)~A(1)中；

在数组A中找出最大值对应的下标，所对应的下标值就是估计的时延点数n；

步骤3）、获得定向结果，待测声源的定向利用时延估计的结果，基于已知的采样频率和阵元间距，运用几何方法求出声源的方向，然后，再把两对麦克风各自所得结果进行融合，形成最终定向结果：若求得时延点数为n，则声源方向角为θ=acos(nc/(fd))。

2.根据权利要求1所述低成本低功耗的声源定向方法，其特征在于：

所述步骤2），两对麦克风的输出信号出现饱和失真时，在进行广义互相关时延估计算法前进行如下步骤的数据处理：

步骤①、在AD采集过程中，实时判断各路数据的大小，如有任何一路数据大于检测门限，则立刻将目前状态标记为已经检测到目标信号的状态；接着，立刻开始缓存数组，直至一帧数据存满为止；

步骤②、在存储数据的过程中，将每个采集到的数据与AD转换最大值作比较；若出现任意一路数据与单片机AD转换最大值相同，或此现象在指定时间内出现若干次时，则停止后续AD采集，不足一帧的部分补零。