一种穹顶式传声器阵列声源定位系统研究

摘要

传声器阵列声源定位技术是利用传声器阵列测量空间内的声场，使用声源定位算法计算出声源分布情况的技术，其能够对声辐射分布进行声成像，从而找到声源的位置。本文针对基于传声器阵列的声源定位问题展开研究，设计出一套完整的穹顶式传声器阵列声源定位系统，主要工作如下：
　　（1）声源模型研究，包括建立近场声源和远场声源的数学模型，并对基于到达时延估计的声源定位方法进行研究，包括对时延估计和定位方法两方面的分析。对可控波束形成声源定位方法进行研究，包括常规延时求和波束形成、基于MVDR算法和基于MUSIC算法的波束形成。
　　（2）传声器阵列的参数研究，包括波束方向图、主瓣宽度等。对比不同的波束形成算法声源定位效果，建立不同算法（常规延时求和波束形成、基于MVDR算法和基于MUSIC算法波束形成）下的仿真模型，同时对不同阵型的传声器阵列模型进行定位仿真试验，选择最优化的传声器阵列阵型。最后，分析不同算法对计算速度和相干声源的影响，找到合适的最佳算法，提高定位精确度。
　　（3）研制出一种新型的穹顶式传声器阵列系统，实现一种分立式阵列连接方式。采用多块采集卡组合，实现64通道数据采集电路，使每通道采样率可以达到30kS/s，并解决了多块采集卡同步采集时的干扰问题；设计并制作可以控制多个摄像头的电源和信号切换控制电路；研制一种体积小的采集盒，方便以后的调试和携带；研发出比较稳定的供电模块，为采集卡、前置放大前路、摄像头进行供电。并独立完成软件设计：基于LabVIEW开发编译环境，在原有平面传声器阵列声源定位软件系统基础上进行重新编写，提高了软件系统效率和稳定性；同时，针对穹顶式传声器阵列进行优化，包括添加穹顶式传声器阵列坐标、切换摄像头程序、坐标校准变换程序等，使得软硬件性能匹配，实现声源定位效果最优。
　　（4）完成了对穹顶式传声器阵列软硬件系统的测试，将得到的一系列测试数据进行分析和综合，检验传声器阵列的主要性能。采用信号相关法检测传声器阵元坐标，并通过白噪声声源和脉冲声源两种方法对传声器阵列阵元坐标进行测量。接下来，对穹顶式传声器阵列的频率范围、角分辨率、声源定位精度进行了检测，并使用点声源、面声源和线声源进行声源定位测试，定位效果好。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 传声器阵列声源定位技术国内外研究现状

1.3 传声器阵列声源定位方法概述

1.4 传声器阵列声源定位系统组成

1.5 本论文的主要工作和组织结构

第2章 声源定位方法

2.1 传声器阵列接收信号模型

2.2 时间延迟估计

2.3 基于到达时延估计的声源定位算法

2.4 波束形成算法

第3章 传声器阵列优化设计

3.1 阵列参数

3.2 阵列阵型设计

3.3 阵列校验理论方法

第4章 穹顶式传声器阵列声源定位系统结构设计

4.1 硬件介绍

4.2 各部件结构设计

4.3 穹顶式传声器阵列硬件总体设计

4.4 编译环境和接口介绍

4.5 软件系统组成部分

4.6 穹顶式传声器阵列软件总体设计

第5章 试验及分析

5.1 试验环境布置方法

5.2 穹顶式传声器阵列参数测量

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果