本發(fā)明涉及一種基于高精度gps的聲源定位方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，屬于聲源定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲音是信息的載體。一方面，聲音中包含具有實(shí)際內(nèi)容的語(yǔ)音信息，另一方面，由于聲波的傳播特性，聲音中也間接包含了聲源和傳播環(huán)境的相關(guān)信息?；谏鲜龅膬煞N特性，聲音信息的獲取在安全監(jiān)控、區(qū)域探測(cè)、定位搜尋等領(lǐng)域具有不可替代的作用。
早先對(duì)于未知目標(biāo)的探測(cè)定位多是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電、超聲、激光等主動(dòng)式方式進(jìn)行，具有高精度抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。但主動(dòng)方式由于需要發(fā)射信號(hào)，也有功耗高、暴露自身位置等使用限制。而聲源定位采用被動(dòng)式原理，隱蔽性較強(qiáng)，且不受能見(jiàn)度的影響，白天晚上都可以進(jìn)行工作。聲源定位在近場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用中有較高的精度，既可以單獨(dú)構(gòu)成系統(tǒng)使用，也可以為其它監(jiān)控定位系統(tǒng)提供輔助信息，因而得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
現(xiàn)階段聲源定位的算法主要有信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量算法(angleofarrival，aoa)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量算法(timeofarrival，toa)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差測(cè)量算法(timedifferenceofarrival，tdoa)、接收信號(hào)強(qiáng)度指示算法(receivedsignalstrengthindication，rssi)。現(xiàn)階段的算法對(duì)麥克風(fēng)陣列位置的放置均有所要求，并且只能求解出聲源和麥克風(fēng)陣列的相對(duì)位置，給實(shí)際應(yīng)用過(guò)程帶來(lái)了諸多的不便。
衛(wèi)星定位技術(shù)自1958年美國(guó)建立子午衛(wèi)星系統(tǒng)以來(lái)，60年間獲得了蓬勃的發(fā)展。gps、glonass、galileo及中國(guó)北斗的建立，使得衛(wèi)星定位在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。隨著技術(shù)的不斷革新，定位系統(tǒng)的精度也逐步提高，采用載波相位差分技術(shù)(carrierphasemeasurement，又稱(chēng)realtimekinematic，rtk)的定位系統(tǒng)可以達(dá)到毫米級(jí)的定位精度。
中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)cn106019232a公開(kāi)了一種聲源定位系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)包括全向麥克風(fēng)、指向麥克風(fēng)和定位單元。全向麥克風(fēng)用于采集第一聲音信息。指向麥克風(fēng)用于采集第二聲音信息。定位單元用于根據(jù)第一聲音信息和第二聲音信息定位聲源在預(yù)定的第一平面中的兩處疑似位置，并根據(jù)第二聲音信息的幅度信息在兩處疑似位置中確定聲源的位置。其中，全向麥克風(fēng)和指向麥克風(fēng)位于第一直線(xiàn)上，指向麥克風(fēng)不指向第一直線(xiàn)所在的、垂直于第一平面的第二平面。該專(zhuān)利存在以下缺陷：1.采用兩種不同類(lèi)型的麥克風(fēng)，采集聲音信號(hào)的差異容易引入較大的誤差；2.需要通過(guò)聲音信號(hào)的幅度來(lái)進(jìn)行聲源位置預(yù)估和篩選，對(duì)采集聲音的環(huán)境要求和放大器的精度要求較高。
中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)cn104181506a公開(kāi)了一種基于改進(jìn)phat加權(quán)時(shí)延估計(jì)的聲源定位方法，由麥克風(fēng)陣列采集4路聲音信號(hào)，通過(guò)a/d采樣電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)改進(jìn)的phat加權(quán)廣義互相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)算法處理，獲得時(shí)延估計(jì)值，再結(jié)合放置的麥克風(fēng)陣列空間位置，利用迭代法解非線(xiàn)性方程組，從而得到聲源的相對(duì)位置。該專(zhuān)利存在以下缺陷：1.聲源定位要基于固定的麥克風(fēng)陣列，需提前預(yù)知麥克風(fēng)所在坐標(biāo)位置；2.計(jì)算出的位置坐標(biāo)為基于麥克風(fēng)陣列建立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，在某些需要地圖顯示的應(yīng)用場(chǎng)景中十分不便。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有聲源定位方案中麥克風(fēng)陣列相對(duì)固定，只能計(jì)算聲源基于自建坐標(biāo)系下相對(duì)位置的不足，本發(fā)明提出了一種基于高精度gps的聲源定位方法；
本發(fā)明還提供了上述聲源定位方法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
發(fā)明概述
本發(fā)明借助于高精度gps系統(tǒng)得到麥克風(fēng)的位置坐標(biāo)，通過(guò)tdoa聲源定位算法，求解出聲源的經(jīng)緯度與高度。由于得出的是通用的經(jīng)緯度坐標(biāo)，可以直接用于地圖顯示，或與其他系統(tǒng)銜接。
本發(fā)明在采集聲音信號(hào)的麥克風(fēng)上配置了gps，可以實(shí)時(shí)解算麥克風(fēng)的位置坐標(biāo)，麥克風(fēng)陣列可以不再局限于靜態(tài)位置，彼此之間也不需要有固定的相對(duì)位置。在聲波傳播的范圍內(nèi)，只要有任意四路聲音信號(hào)被采集到即可計(jì)算出聲源的三維位置坐標(biāo)信息。
術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)?/p>
1、rtk(real-timekinematic)載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶(hù)接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。
2、大地坐標(biāo)系，是大地測(cè)量中以參考橢球面為基準(zhǔn)面的坐標(biāo)系。地面點(diǎn)p的位置用大地經(jīng)度l、大地緯度b和大地高度h表示。
3、ecef坐標(biāo)系，ecef(earth-centered,earth-fixed)地球?yàn)橹行?，是一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，也稱(chēng)為“普通地表”系統(tǒng)，(0，0，0)點(diǎn)表示地球質(zhì)心。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
一種基于高精度gps的聲源定位方法，包括步驟如下：
(1)在聲源定位的監(jiān)控區(qū)域隨意放置麥克風(fēng)組成麥克風(fēng)陣列，麥克風(fēng)陣列中的每個(gè)麥克風(fēng)上安裝有g(shù)ps定位模塊，麥克風(fēng)陣列中至少4個(gè)麥克風(fēng)處于同時(shí)工作狀態(tài)且采集到有效的聲音信號(hào)；
(2)麥克風(fēng)陣列中處于工作狀態(tài)的麥克風(fēng)實(shí)時(shí)獲取聲音信號(hào)，麥克風(fēng)陣列中處于工作狀態(tài)的麥克風(fēng)上安裝的gps定位模塊實(shí)時(shí)獲取位置信號(hào)，捕獲的位置信號(hào)為nmea-0183格式，從位置信號(hào)中提取出時(shí)間信號(hào)與定位信號(hào)即可計(jì)算各個(gè)麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)的時(shí)間和地點(diǎn)，將獲取的聲音信號(hào)、時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的數(shù)字信號(hào)；
(3)將步驟(2)獲取的聲音信號(hào)、時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；
(4)根據(jù)指令獲取步驟(3)中存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)tdoa聲音定位算法計(jì)算時(shí)延，列出方程組求解聲源位置，包括聲源的經(jīng)度、緯度和高度；
(5)將步驟(4)中計(jì)算的聲源位置進(jìn)行顯示。
根據(jù)本發(fā)明所優(yōu)選的，所述步驟(4)中，通過(guò)tdoa聲音定位算法計(jì)算時(shí)延，即采用tdoa聲音定位算法中的廣義自相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行時(shí)延計(jì)算，包括步驟如下：
a、分別取出同一時(shí)間段內(nèi)的4路聲音信號(hào)，即：x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)，n為數(shù)字信號(hào)中采樣點(diǎn)的序號(hào)，將4路聲音信號(hào)進(jìn)行加窗預(yù)濾波處理，消除噪聲，經(jīng)傅立葉變換到頻域，即：x1(k)，x2(k)，x3(k)，x4(k)，k為與n對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)中采樣點(diǎn)的序號(hào)，n與k皆為整數(shù)；
b、第一路聲音信號(hào)x1(n)作為基準(zhǔn)信號(hào)，分別計(jì)算x1(k)與x2(k)、x1(k)與x3(k)、x1(k)與x4(k)的互功率譜，即g12(k)、g13(k)、g14(k)，對(duì)互功率譜g12(k)、g13(k)、g14(k)進(jìn)行phat加權(quán)操作，如式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)所示：
式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)中，
c、將互功率譜g12(k)、g13(k)、g14(k)逆變換到頻域，得到對(duì)應(yīng)的廣義互相關(guān)函數(shù)r12(n),r13(n),r14(n)；
d、r12(n),r13(n),r14(n)分別取最大值時(shí)n所對(duì)應(yīng)的時(shí)延即為3路聲音信號(hào)x2(n)、x3(n)、x4(n)與基準(zhǔn)信號(hào)x1(n)的時(shí)延估計(jì)t12、t13、t14；設(shè)r12(n)取最大值時(shí)的n值為n12，所取聲音信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為n，采樣頻率為fs，若n12>n/2,則
根據(jù)本發(fā)明所優(yōu)選的，所述步驟(4)中，求解聲源位置，包括步驟如下：
a、將gps定位模塊計(jì)算的對(duì)應(yīng)的四個(gè)麥克風(fēng)的定位信號(hào)，包括經(jīng)度、緯度、高度，從大地坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ecef直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)中的笛卡爾坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如式(ⅳ)所示：
式(ⅳ)中，
根據(jù)式(ⅳ)獲取對(duì)應(yīng)的四個(gè)麥克風(fēng)的轉(zhuǎn)換后的ecef坐標(biāo)系中的笛卡爾坐標(biāo)，即(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)；
b、根據(jù)廣義自相關(guān)函數(shù)法計(jì)算出的時(shí)延t12、t13、t14與步驟a獲取的四個(gè)麥克風(fēng)的坐標(biāo)(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)，列出非線(xiàn)性方程組，如式(ⅴ)所示：
式(ⅴ)中，(x,y,z)為聲源坐標(biāo)；v為聲音在空氣中傳播的速度；
用牛頓迭代法求解聲源坐標(biāo)(x,y,z)；
c、采用ecef直角坐標(biāo)系參數(shù)來(lái)計(jì)算聲源的大地高度、大地緯度和大地經(jīng)度，ecef直角坐標(biāo)系下根據(jù)在xy平面中測(cè)量的聲源坐標(biāo)與x軸之間的角度計(jì)算出聲源的大地經(jīng)度λ：當(dāng)x≥0時(shí)，
采用由bowring提出的一種流行且高度收斂的迭代方法bowring演算法，求取聲源的大地緯度，
式(ⅵ)中，p、u均為迭代算法中所需變量，a為橢球長(zhǎng)半徑，b為橢球短半徑；
迭代循環(huán)：
直到tanu收斂，求得大地緯度
求取大地高度h：當(dāng)
通過(guò)以上計(jì)算則可得出聲源的在大地坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述gps定位模塊通過(guò)rtk技術(shù)實(shí)時(shí)獲取時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)。
gps定位模塊采用rtk技術(shù)，定位的精度可以達(dá)到毫米級(jí)。gps定位模塊得到的時(shí)間和位置信息為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口傳輸。gps定位位置坐標(biāo)作為計(jì)算聲源的參考坐標(biāo)，gps定位模塊的定位精度將直接影響聲源位置的精度。根據(jù)計(jì)算，gps定位模塊厘米級(jí)的定位誤差在200米的定位范圍只會(huì)導(dǎo)致米級(jí)的聲源定位偏移。此外，麥克風(fēng)處于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)，gps定位模塊的定位精度和數(shù)據(jù)更新速度會(huì)影響聲源定位的精度，所以本系統(tǒng)需采用經(jīng)rtk技術(shù)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以得到更好的定位精度。
上述聲源定位方法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，包括至少4個(gè)mic與gps定位模塊、存儲(chǔ)模塊、算法計(jì)算和系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊，至少4個(gè)所述mic與gps定位模塊分別連接所述存儲(chǔ)模塊，所述存儲(chǔ)模塊、所述算法計(jì)算和系統(tǒng)控制模塊、所述顯示模塊依次連接。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述mic與gps定位模塊包括麥克風(fēng)及用于定位的gps定位模塊，麥克風(fēng)實(shí)時(shí)獲取聲音信號(hào)，gps定位模塊實(shí)時(shí)獲取時(shí)間信號(hào)和位置信號(hào)；所述存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)獲取的聲音信號(hào)、時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)；所述算法計(jì)算和系統(tǒng)控制模塊通過(guò)tdoa聲音定位算法計(jì)算時(shí)延，列出方程組求解聲源位置，包括聲源的大地經(jīng)度、大地緯度和大地高度；所述顯示模塊用于顯示聲源位置。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述算法處理和系統(tǒng)控制模塊為stm32開(kāi)發(fā)平臺(tái)，所述顯示模塊為液晶顯示屏，所述gps定位模塊為北斗星通um332。
本發(fā)明的有益效果為：
1、本發(fā)明將高精度gps定位模塊與無(wú)源的聲源定位方法結(jié)合起來(lái)，gps定位模塊來(lái)測(cè)得采集聲音信號(hào)的麥克風(fēng)的位置信息，使用于采集聲音信號(hào)的麥克風(fēng)陣列不再受限于固定的相對(duì)位置。
2、本發(fā)明將gps定位模塊獲取的定位坐標(biāo)作為聲源定位的參考坐標(biāo)，可以直接求得聲源的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度。
3、本發(fā)明可以直接與其它需要定位數(shù)據(jù)的系統(tǒng)銜接。
4、本發(fā)明采用相同的麥克風(fēng)器件采集聲音，極大減少聲音采集器帶來(lái)的誤差，并且采用運(yùn)算量較小的tdoa算法計(jì)算時(shí)延得到聲源位置，對(duì)聲音信號(hào)的幅度大小不作要求。
5、本發(fā)明采用高精度衛(wèi)星定位芯片對(duì)麥克風(fēng)進(jìn)行定位，得到麥克風(fēng)采集聲音時(shí)的高精度經(jīng)緯度坐標(biāo)，進(jìn)而可以求得聲源的經(jīng)緯度坐標(biāo)，可以直接用于地圖顯示。另外此方案中，麥克風(fēng)位置不需要固定，因而可以應(yīng)用于移動(dòng)探測(cè)場(chǎng)景。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明基于高精度gps的聲源定位方法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步限定，但不限于此。
實(shí)施例1
一種基于高精度gps的聲源定位方法，包括步驟如下：
(1)在聲源定位的監(jiān)控區(qū)域隨意放置麥克風(fēng)組成麥克風(fēng)陣列，麥克風(fēng)陣列中的每個(gè)麥克風(fēng)上安裝有g(shù)ps定位模塊，麥克風(fēng)陣列中4個(gè)麥克風(fēng)處于同時(shí)工作狀態(tài)且采集到有效的聲音信號(hào)；
(2)麥克風(fēng)陣列中處于工作狀態(tài)的麥克風(fēng)實(shí)時(shí)獲取聲音信號(hào)，麥克風(fēng)陣列中處于工作狀態(tài)的麥克風(fēng)上安裝的gps定位模塊實(shí)時(shí)獲取位置信號(hào)，捕獲的位置信號(hào)為nmea-0183格式，從位置信號(hào)中提取出時(shí)間信號(hào)與定位信號(hào)即可計(jì)算各個(gè)麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)的時(shí)間和地點(diǎn)，將獲取的聲音信號(hào)、時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的數(shù)字信號(hào)；
(3)將步驟(2)獲取的聲音信號(hào)、時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；
(4)根據(jù)指令獲取步驟(3)中存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)tdoa聲音定位算法計(jì)算時(shí)延，列出方程組求解聲源位置，包括聲源的經(jīng)度、緯度和高度；
通過(guò)tdoa聲音定位算法計(jì)算時(shí)延，包括步驟如下：
a、分別取出同一時(shí)間段內(nèi)的4路聲音信號(hào)，即：x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)，n為數(shù)字信號(hào)中采樣點(diǎn)的序號(hào)，將4路聲音信號(hào)進(jìn)行加窗預(yù)濾波處理，消除噪聲，經(jīng)傅立葉變換到頻域，即：x1(k)，x2(k)，x3(k)，x4(k)，k為與n對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)中采樣點(diǎn)的序號(hào)，n與k皆為整數(shù)；
b、第一路聲音信號(hào)x1(n)作為基準(zhǔn)信號(hào)，分別計(jì)算x1(k)與x2(k)、x1(k)與x3(k)、x1(k)與x4(k)的互功率譜，即g12(k)、g13(k)、g14(k)，對(duì)互功率譜g12(k)、g13(k)、g14(k)進(jìn)行phat加權(quán)操作，如式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)所示：
式(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)中，
c、將互功率譜g12(k)、g13(k)、g14(k)逆變換到頻域，得到對(duì)應(yīng)的廣義互相關(guān)函數(shù)r12(n),r13(n),r14(n)；
d、r12(n),r13(n),r14(n)分別取最大值時(shí)n所對(duì)應(yīng)的時(shí)延即為3路聲音信號(hào)x2(n)、x3(n)、x4(n)與基準(zhǔn)信號(hào)x1(n)的時(shí)延估計(jì)t12、t13、t14；設(shè)r12(n)取最大值時(shí)的n值為n12，所取聲音信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為n，采樣頻率為fs，若n12>n/2,則
求解聲源位置，包括步驟如下：
a、將gps定位模塊計(jì)算的對(duì)應(yīng)的四個(gè)麥克風(fēng)的定位信號(hào)，包括經(jīng)度、緯度、高度，從大地坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ecef直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)中的笛卡爾坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如式(ⅳ)所示：
式(ⅳ)中，
根據(jù)式(ⅳ)獲取對(duì)應(yīng)的四個(gè)麥克風(fēng)的轉(zhuǎn)換后的ecef坐標(biāo)系中的笛卡爾坐標(biāo)，即(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)；
b、根據(jù)廣義自相關(guān)函數(shù)法計(jì)算出的時(shí)延t12、t13、t14與步驟a獲取的四個(gè)麥克風(fēng)的坐標(biāo)(x1,y1,＝1)(x2,y2,＝2)(x3,y3,＝3)(x4,y4,＝4)，列出非線(xiàn)性方程組，如式(ⅴ)所示：
式(ⅴ)中，(x,y,z)為聲源坐標(biāo)；v為聲音在空氣中傳播的速度；
用牛頓迭代法求解聲源坐標(biāo)(x,y,z)；
c、采用ecef直角坐標(biāo)系參數(shù)來(lái)計(jì)算聲源的大地高度、大地緯度和大地經(jīng)度，ecef直角坐標(biāo)系下根據(jù)在xy平面中測(cè)量的聲源坐標(biāo)與x軸之間的角度計(jì)算出聲源的大地經(jīng)度λ：當(dāng)x≥0時(shí)，
采用由bowring提出的一種流行且高度收斂的迭代方法bowring演算法，求取聲源的大地緯度，
式(ⅵ)中，p、u均為迭代算法中所需變量，a為橢球長(zhǎng)半徑，b為橢球短半徑；
迭代循環(huán)：
直到tanu收斂，求得大地緯度
求取大地高度h：當(dāng)
通過(guò)以上計(jì)算則可得出聲源的在大地坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)
(5)將步驟(4)中計(jì)算的聲源位置進(jìn)行顯示。
gps定位模塊通過(guò)rtk技術(shù)實(shí)時(shí)獲取時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)。
gps定位模塊采用rtk技術(shù)，定位的精度可以達(dá)到毫米級(jí)。gps定位模塊得到的時(shí)間和位置信息為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口傳輸。gps定位位置坐標(biāo)作為計(jì)算聲源的參考坐標(biāo)，gps定位模塊的定位精度將直接影響聲源位置的精度。根據(jù)計(jì)算，gps定位模塊厘米級(jí)的定位誤差在200米的定位范圍只會(huì)導(dǎo)致米級(jí)的聲源定位偏移。此外，麥克風(fēng)處于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)，gps定位模塊的定位精度和數(shù)據(jù)更新速度會(huì)影響聲源定位的精度，所以本系統(tǒng)需采用經(jīng)rtk技術(shù)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以得到更好的定位精度。
實(shí)施例2
實(shí)施例1所述的聲源定位方法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，如圖1所示，包括4個(gè)mic與gps定位模塊、存儲(chǔ)模塊、算法計(jì)算和系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊，4個(gè)mic與gps定位模塊分別連接存儲(chǔ)模塊，所述存儲(chǔ)模塊、算法計(jì)算和系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊依次連接。
mic與gps定位模塊包括麥克風(fēng)及用于定位的gps定位模塊，麥克風(fēng)實(shí)時(shí)獲取聲音信號(hào)，gps定位模塊實(shí)時(shí)獲取時(shí)間信號(hào)和位置信號(hào)；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)獲取的聲音信號(hào)、時(shí)間信號(hào)和定位信號(hào)；算法計(jì)算和系統(tǒng)控制模塊通過(guò)tdoa聲音定位算法計(jì)算時(shí)延，列出方程組求解聲源位置，包括聲源的大地經(jīng)度、大地緯度和大地高度；顯示模塊用于顯示聲源位置。
算法處理和系統(tǒng)控制模塊為stm32開(kāi)發(fā)平臺(tái)，所述顯示模塊為液晶顯示屏，所述gps定位模塊為北斗星通um332。
對(duì)比例1
根據(jù)實(shí)施例1所述的一種基于高精度gps的聲源定位方法，其區(qū)別在于，在聲源定位的監(jiān)控區(qū)域構(gòu)成相對(duì)固定的麥克風(fēng)陣列，對(duì)單一聲源進(jìn)行定位，麥克風(fēng)陣列包括四路mic，采集聲音的麥克風(fēng)為模擬memsmic，具體包括以下步驟：
(1)四路mic采集四路聲音信號(hào)，采用兩級(jí)放大電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行50倍放大，并直流墊高至1.28v，adc進(jìn)行40khz頻率的ad采樣。衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，通過(guò)串口將位置信息導(dǎo)出。
(2)將聲音信號(hào)、位置信號(hào)和時(shí)間信號(hào)傳輸至存儲(chǔ)模塊。為了便于對(duì)聲音信號(hào)的存儲(chǔ)，每4mb為一個(gè)存儲(chǔ)文件。
(3)采用stm32作為計(jì)算控制模塊，將四路所需的聲音信號(hào)片段取出，通過(guò)廣義自相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行時(shí)延計(jì)算得出t12，t13，t14三個(gè)時(shí)延估計(jì)。
(4)將mic的定位坐標(biāo)信息取出，此時(shí)坐標(biāo)為wgs-84大地坐標(biāo)系下坐標(biāo)，將此坐標(biāo)系下的距離轉(zhuǎn)換為ecef地心坐標(biāo)系下坐標(biāo)。結(jié)合4個(gè)mic坐標(biāo)和三個(gè)時(shí)延估計(jì)，列出線(xiàn)性方程組。
(5)然后采用牛頓迭代法求解三元非線(xiàn)性方程組坐標(biāo)。
(6)再將此坐標(biāo)轉(zhuǎn)回wgs-84坐標(biāo)，在液晶顯示屏下顯示。
對(duì)比例2
根據(jù)實(shí)施例1所述的一種基于高精度gps的聲源定位方法，其區(qū)別在于，在聲源定位的監(jiān)控區(qū)域構(gòu)成相對(duì)固定的麥克風(fēng)陣列，對(duì)單一聲源進(jìn)行定位，麥克風(fēng)陣列包括四路mic，采集聲音的麥克風(fēng)為模擬memsmic，具體包括以下步驟：
(1)四路mic采集四路聲音信號(hào)，數(shù)字mic時(shí)鐘設(shè)為1.024mhz，輸出為pdm信號(hào)，經(jīng)語(yǔ)音處理芯片fm34-395經(jīng)采樣裝換成16位的pcm信號(hào)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，通過(guò)串口將位置信息導(dǎo)出。
(2)將聲音信號(hào)、位置信號(hào)和時(shí)間信號(hào)傳輸至存儲(chǔ)模塊。為了便于對(duì)聲音信號(hào)的存儲(chǔ)，每4mb為一個(gè)存儲(chǔ)文件。
(3)采用stm32作為計(jì)算控制模塊，將四路所需的聲音信號(hào)片段取出，通過(guò)廣義自相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)計(jì)算得出t12，t13，t14三個(gè)時(shí)延估計(jì)；
(4)將mic的定位坐標(biāo)信息取出，此時(shí)坐標(biāo)為wgs-84將此坐標(biāo)系下的距離轉(zhuǎn)換為ecef地心坐標(biāo)系下坐標(biāo)。結(jié)合4個(gè)mic坐標(biāo)和三個(gè)時(shí)延估計(jì)，列出線(xiàn)性方程組。
(5)然后采用牛頓迭代法求解三元非線(xiàn)性方程組坐標(biāo)。
(6)再將此坐標(biāo)轉(zhuǎn)回大地坐標(biāo)，在液晶顯示屏下顯示。
對(duì)比例3
根據(jù)對(duì)比例2所述的一種基于高精度gps的聲源定位方法，其區(qū)別在于，四路mic的數(shù)字mic時(shí)鐘設(shè)為2.475mhz，并對(duì)目標(biāo)聲源進(jìn)行定位。
對(duì)比例4：
根據(jù)對(duì)比例2所述的一種基于高精度gps的聲源定位系統(tǒng)，其區(qū)別在于，設(shè)定六路聲音采集模塊，任意四路進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)目標(biāo)聲源的定位估計(jì)求取平均值。
根據(jù)實(shí)施例1、對(duì)比例1-4驗(yàn)證，聲音采集模塊采集聲音時(shí)基于固定麥克風(fēng)陣列還是隨意放置聲源定位的精度影響不大，極大保證了聲源定位系統(tǒng)的靈活性。采用模擬mic采集聲音時(shí)，放大器、adc引入的噪聲偏大，定位精度不如采用數(shù)字mic的聲源定位系統(tǒng)。提高聲音的采樣頻率，確實(shí)能在一定程度上提高聲源定位的精度，但也相應(yīng)增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和運(yùn)算量。