本發(fā)明涉及嵌入式聲信號(hào)采集技術(shù)，特別是涉及一種低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)低空無(wú)人飛行器因其成本低廉易于操作的特點(diǎn)迅速在民間普及，且數(shù)量急劇增加。但是，對(duì)于載荷小于7kg、飛行高度僅有數(shù)十米至200米的小型低空無(wú)人飛行器，目前暫無(wú)證照管理。羅宏偉在試論大型活動(dòng)安保工作中“低慢小”目標(biāo)的防范與處置一文中提出，由于缺乏有效監(jiān)管，目前經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)利用無(wú)人飛行器進(jìn)行各種恐怖活動(dòng)、間諜活動(dòng)、非法入侵等犯罪行為，在人口密集的城市環(huán)境中，無(wú)人飛行器失控?fù)p物傷人現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

現(xiàn)有的低空無(wú)人飛行器探測(cè)方法包括雷達(dá)探測(cè)、類似公安天網(wǎng)系統(tǒng)的光學(xué)手段和綜合運(yùn)用雷達(dá)、可見(jiàn)光、紅外、無(wú)線電等多種探測(cè)裝備協(xié)同探測(cè)。吳聰,李海飛等利用pd雷達(dá)探測(cè)低小慢目標(biāo)，但是由于低空無(wú)人飛行器體積小、反射弱、速度慢，容易被強(qiáng)大地雜波淹沒(méi)或被建筑物遮擋，因而該方法不適用于城市環(huán)境。公安天網(wǎng)系統(tǒng)因視角有限或視線易受阻存在大量監(jiān)測(cè)盲區(qū)，并且其探測(cè)范圍在雨雪霧霾等惡劣天氣下還會(huì)顯著下降，探測(cè)性能亦不佳。秦清,徐毓針對(duì)低小慢目標(biāo)多裝備協(xié)同探測(cè)分配問(wèn)題進(jìn)行了研究，綜合運(yùn)用雷達(dá)、可見(jiàn)光、紅外、無(wú)線電等多種探測(cè)裝備協(xié)同探測(cè)低空無(wú)人飛行器，探測(cè)性能優(yōu)異，但是這一套完備的系統(tǒng)往往動(dòng)輒數(shù)十甚至上百萬(wàn)，成本高昂，不利于推廣使用。

由于小型低空無(wú)人飛行器技術(shù)工藝的限制，飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大噪音，因此利用聲學(xué)手段成為低空監(jiān)測(cè)的自然合理選項(xiàng)。何發(fā)亮等人在聲波探測(cè)技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用一文中提出聲探測(cè)具有全被動(dòng)、方位、非通視等優(yōu)勢(shì)，其探測(cè)性能在霧霾大濕度條件下還會(huì)提升，因而利用聲探測(cè)手段實(shí)現(xiàn)低空無(wú)人飛行器探測(cè)這一技術(shù)手段切實(shí)可行。但是目前我國(guó)正在研制的聲學(xué)低空探測(cè)系統(tǒng)多為軍用或民航背景，覆蓋空域和探測(cè)目標(biāo)不同，并且體積較大、成本高昂，不涉及數(shù)十米高度的低空監(jiān)測(cè)，因而很難在城市公安監(jiān)測(cè)領(lǐng)域推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種集低空無(wú)人飛行器聲音采集、音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸、飛行器方位角測(cè)定等多種功能于一體，并且易于安裝、存放、多點(diǎn)分布架設(shè)的低功耗便攜式智能聲探測(cè)系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)，包括麥克風(fēng)陣列、可編程處理板、計(jì)算機(jī)和電源；

所述麥克風(fēng)陣列包括四個(gè)麥克風(fēng)，四個(gè)麥克風(fēng)通過(guò)四個(gè)伸縮桿固定在旋轉(zhuǎn)基座上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和拉伸伸縮桿構(gòu)建不同幾何結(jié)構(gòu)不同尺寸的麥克風(fēng)陣列，以檢測(cè)飛行器的飛行音頻數(shù)據(jù)，并將采集的四通道音頻數(shù)據(jù)傳輸給可編程處理板；

所述可編程處理板將四路音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、阻抗變換、ad轉(zhuǎn)化后傳送給計(jì)算機(jī)；

所述計(jì)算機(jī)根據(jù)接收的音頻數(shù)據(jù)計(jì)算出飛行器方位信息；

所述電源用于給麥克風(fēng)陣列、可編程處理板供電。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)點(diǎn)是：(1)本發(fā)明以高性能可編程控制處理器為核心，采用麥克風(fēng)陣列形式，能夠完成聲源信號(hào)采集、聲紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸、飛行器定位等多種功能，在復(fù)雜城市環(huán)境下能夠通過(guò)多點(diǎn)分布式架設(shè)該設(shè)備，通過(guò)多系統(tǒng)組網(wǎng)來(lái)擴(kuò)大無(wú)人飛行器監(jiān)控區(qū)域。(2)麥克風(fēng)陣列可以根據(jù)實(shí)際需求靈活改變陣列幾何結(jié)構(gòu)和陣列尺寸大小，能夠適用于多種麥克風(fēng)陣列定位識(shí)別算法，具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性。(3)可編程處理板硬件采用了通用可編程方式，軟件系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，可以針對(duì)特定應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)相應(yīng)處理軟件和接口方案，滿足相關(guān)的應(yīng)用需求。(4)與現(xiàn)有低空無(wú)人飛行器探測(cè)設(shè)備相比，該聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)采用被動(dòng)式聲源探測(cè)方式，不存在任何可見(jiàn)光、紅外線、電磁波等輻射源，隱秘性強(qiáng)，存活率高。

附圖說(shuō)明

圖1是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)麥克風(fēng)陣列三種結(jié)構(gòu)變換示意圖。

圖2是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)的可編程處理板硬件架構(gòu)圖。

圖3是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖4是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)主控軟件程序流程圖。

圖5是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)平面四元十字陣聲源定位原理圖。

圖6是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)測(cè)角精度誤差分析圖。

圖7是低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)采集的飛行器聲紋數(shù)據(jù)時(shí)頻譜圖。

圖8是低空無(wú)人飛行器探測(cè)系統(tǒng)特征頻點(diǎn)距離擬合圖，其中(a)為200hz的距離擬合圖，(b)為3500hz的距離擬合圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明方案。

一種低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)，包括麥克風(fēng)陣列、可編程處理板、計(jì)算機(jī)和電源；

所述麥克風(fēng)陣列包括四個(gè)麥克風(fēng)，四個(gè)麥克風(fēng)通過(guò)四個(gè)伸縮桿固定在旋轉(zhuǎn)基座上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和拉伸伸縮桿構(gòu)建不同幾何結(jié)構(gòu)不同尺寸的麥克風(fēng)陣列，以檢測(cè)飛行器的飛行音頻數(shù)據(jù)，并將采集的四通道音頻數(shù)據(jù)傳輸給可編程處理板；

所述可編程處理板將四路音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、阻抗變換、ad轉(zhuǎn)化后傳送給計(jì)算機(jī)；

所述計(jì)算機(jī)根據(jù)接收的音頻數(shù)據(jù)計(jì)算出飛行器方位信息(包括俯仰角和方位角)；

所述電源用于給麥克風(fēng)陣列、可編程處理板供電。

所述麥克風(fēng)為電容麥克風(fēng)、駐極體麥克風(fēng)或者硅微麥克風(fēng)。

所述麥克風(fēng)陣列幾的何結(jié)構(gòu)包括一維線性麥克風(fēng)陣列、平面四元十字陣以及空間立體陣。

所述電源的供電方式包括外部電源輸入和內(nèi)置電池兩種。

所述可編程處理板包括依次相連的信號(hào)調(diào)理電路、多路同步音頻編解碼電路、可編程控制處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路以及外部通訊電路，其中信號(hào)調(diào)理電路接收麥克風(fēng)陣列輸出的四路音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、阻抗變換后傳輸給多路同步音頻編解碼電路，多路同步音頻編解碼電路將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給可編程控制處理器，可編程控制處理器將數(shù)據(jù)緩存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，并將緩存數(shù)據(jù)通過(guò)外部通訊電路傳輸給計(jì)算機(jī)。

所述多路同步音頻編解碼電路采用型號(hào)為pcm3168a的芯片,為六路輸入八路輸出。

所述可編程控制處理器包括dsp、arm、fpga以及單片機(jī)。

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路包括低容量緩存sram芯片和主存emmc芯片，兩者配合使用能夠極大提高存儲(chǔ)速率。

所述外部通訊電路包括rs232接口和usb通訊接口,當(dāng)檢測(cè)和處理工作完成后，可編程控制處理器通過(guò)上述通訊接口電路將數(shù)據(jù)傳輸至pc終端或者存儲(chǔ)到外部u盤。

下面結(jié)合附圖進(jìn)行具體描述：

低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)，包括麥克風(fēng)陣列、可編程處理板、計(jì)算機(jī)和電源；麥克風(fēng)陣列用于檢測(cè)飛行器的飛行音頻數(shù)據(jù)，并將采集的四通道音頻數(shù)據(jù)傳輸給可編程處理板；可編程處理板用于將四路音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、阻抗變換、ad轉(zhuǎn)化后傳送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)根據(jù)接收的音頻數(shù)據(jù)計(jì)算出飛行器方位信息(包括俯仰角和方位角)；電源用于給麥克風(fēng)陣列、可編程處理板供電。

如圖1所示，麥克風(fēng)陣列包括四個(gè)麥克風(fēng)，四根可伸縮變換的圓柱形空心伸縮桿，以及一個(gè)可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)的基座，四個(gè)麥克風(fēng)分別安裝在四根伸縮桿前端，伸縮桿后端集中安裝于可旋轉(zhuǎn)基座上。每個(gè)麥克風(fēng)的三根走線信號(hào)線、電源線、地線從伸縮管內(nèi)部經(jīng)過(guò)并且匯集到可旋轉(zhuǎn)基座上，在可旋轉(zhuǎn)基座上留有一個(gè)六芯接口，分別為四個(gè)麥克風(fēng)音頻信號(hào)走線、一根電源線以及一根地線，利用六芯接口插件將麥克風(fēng)陣列與采集板連接，可以實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)輸入。

四個(gè)圓柱形空心伸縮桿可以在水平面內(nèi)以0°～360°任意角度旋轉(zhuǎn)，也可以在豎直空間內(nèi)以0°～90°角度旋轉(zhuǎn)，伸縮桿可以自由拉伸，通過(guò)拉伸伸縮桿來(lái)改變麥克風(fēng)陣元之間的間距，再通過(guò)水平或者豎直旋轉(zhuǎn)四個(gè)麥克風(fēng)可以構(gòu)建多種幾何結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列，常用的四通道麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)包括一維線性麥克風(fēng)陣列、平面四元十字陣以及空間立體陣。

一維線性麥克風(fēng)陣列由處在一條直線上的若干個(gè)麥克分構(gòu)成，按照麥克風(fēng)間距可分為均勻線性陣列和和嵌套線性陣列。線性陣列是最簡(jiǎn)單的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的定位算法復(fù)雜度較低，但是只能實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的聲源定位。

平面四元十字陣由安裝在正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上的四個(gè)麥克風(fēng)構(gòu)成。四元十字陣具有分維特性，可將二維參量分開(kāi)，其陣列冗余度較小，在平面內(nèi)定位性能優(yōu)越，空間內(nèi)定位性能良好，可以選擇的定位算法也很多，是目前運(yùn)用最為廣泛的麥克風(fēng)陣列。

空間立體陣的麥克風(fēng)中心分布在立體空間中。根據(jù)陣列的立體形狀可分為四面體陣、正方體陣、長(zhǎng)方體陣、球型陣，空間立體陣在平面和空間內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，但是其對(duì)應(yīng)算法復(fù)雜度高，陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

麥克風(fēng)采用電容麥克風(fēng)、駐極體麥克風(fēng)或者硅微麥克風(fēng)，在麥克風(fēng)前端安裝專業(yè)級(jí)防風(fēng)罩，能夠有效降低風(fēng)噪對(duì)聲音采集的影響。

如圖2所示，可編程處理板包括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、多路同步音頻編解碼電路、可編程控制處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路以及外部通訊電路。作為處理板核心的可編程控制處理器可在dsp、arm、fpga和單片機(jī)中選用其中一種或者多種配合構(gòu)成?？删幊炭刂铺幚砥魍ㄟ^(guò)控制多路同步音頻編解碼電路實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)陣列輸入信號(hào)的同步采集，然后依據(jù)編寫的算法完成對(duì)陣列信號(hào)的傳輸與處理工作。

可編程處理板的硬件平臺(tái)備有rs232接口以及usb接口，可以根據(jù)實(shí)際需要將采集數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算終端或者存儲(chǔ)到外部u盤中去?？删幊烫幚戆宓牟蓸宇l率以及采樣精度通過(guò)控制總線向音頻編解碼芯片發(fā)送控制字來(lái)設(shè)置，采樣率在8khz至96khz之間，能夠滿足大部分聲探測(cè)的要求；采樣精度有兩種選擇，分別為16-bit和24-bit，可以滿足不同應(yīng)用環(huán)境中的信噪比要求。

如圖3所示，可編程處理板的嵌入式軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將獨(dú)立的各接口驅(qū)動(dòng)模塊與主控軟件相結(jié)合，以核心算法為主體協(xié)同工作，共同完成特定應(yīng)用所要求的工作。通過(guò)嵌入相應(yīng)核心算法，能夠完成麥克風(fēng)陣列信號(hào)實(shí)時(shí)采集傳輸與存儲(chǔ)，具有很好的靈活性和適應(yīng)性。緩存sram驅(qū)動(dòng)和主存emmc驅(qū)動(dòng)兩者配合使用能夠大大提高緩存速率。包含rs232接口、usb接口驅(qū)動(dòng)的多種接口驅(qū)動(dòng)模塊配合使用能夠完成不同接口協(xié)議的數(shù)據(jù)雙向通訊。

主控軟件程序的流程如圖4所示，由此可以看出低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程。首先麥克風(fēng)陣列接收到無(wú)人飛行器聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)可編程處理板上的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大、阻抗變換等處理之后傳送至多路同步音頻編解碼電路。主控軟件在完成各模塊初始化工作后配置并啟動(dòng)用于流水幀處理的dma中斷，當(dāng)多路音頻編解碼電路連續(xù)采集數(shù)據(jù)存滿一幀即觸發(fā)一次dma中斷，同時(shí)切換dma數(shù)據(jù)存儲(chǔ)目的地址，如此反復(fù)直到存滿外部緩存sram，外部sram存滿數(shù)據(jù)之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“發(fā)生觸發(fā)事件且已處理完成”標(biāo)志位，告知主控程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成。主控程序通過(guò)不斷查詢?cè)摌?biāo)志位檢測(cè)存儲(chǔ)是否完成，一旦檢測(cè)到該標(biāo)志位被置位，主控程序會(huì)選擇通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算終端或者通過(guò)usb接口存儲(chǔ)到外部u盤中去。最后主控程序會(huì)清零各個(gè)相關(guān)變量和標(biāo)志位，繼續(xù)等待下次有效時(shí)間的檢測(cè)和處理結(jié)果。

四元十字定位算法利用廣義互相關(guān)算法(gcc)計(jì)算陣元之間的波達(dá)時(shí)間差(tdoa)，四路麥克風(fēng)輸入可以得到六個(gè)陣元之間的tdoa，再根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源模型之間的角度關(guān)系可以計(jì)算得出相應(yīng)的角度。下面針對(duì)平面四元十字陣介紹四元十字定位算法。如圖5令第i個(gè)陣元的三維空間坐標(biāo)為其中為第i個(gè)陣元的方位角，ri為該陣元至坐標(biāo)原點(diǎn)o的距離，聲源s的位置坐標(biāo)為其中θ，分別表示聲源對(duì)應(yīng)的俯仰角和方位角，r為聲源至坐標(biāo)原點(diǎn)o的距離。

以坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，不妨令聲源信號(hào)傳播至坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)刻為零時(shí)刻，則聲源信號(hào)到達(dá)第i個(gè)陣元時(shí)刻與到達(dá)坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)刻之間的時(shí)延可表示為：

其中，c為大氣中的聲傳播速度。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)聲源，ri/r＜＜1，通過(guò)二項(xiàng)式展開(kāi)可將式(1)簡(jiǎn)化為：

由此可得任意一對(duì)陣元(i,j)之間的tdoa信息：

對(duì)于四元平面陣，總共可以得到6對(duì)麥克風(fēng)之間的tdoa信息τij,i,j∈{1,2,3,4}且i＞j，用矩陣表示如下：

簡(jiǎn)記為：

ax＝b(5)

該超定方程存在唯一最小二乘解：

其中，a⁺為a的廣義逆矩陣，令

代入式(5)得，

由此得遠(yuǎn)場(chǎng)聲源方位角：

由于arctan函數(shù)具有周期性且取值范圍為[-90°,90°]，而實(shí)際聲源方位角為[0°,360°]，因此，需要根據(jù)tdoaij正負(fù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修訂：

當(dāng)目標(biāo)在第一象限時(shí)，

當(dāng)目標(biāo)在第二象限時(shí)，

當(dāng)目標(biāo)在第三象限時(shí)，

當(dāng)目標(biāo)在第四象限時(shí)，

當(dāng)

當(dāng)

再將求出的代入式(8)，得出角度θ。

為了驗(yàn)證低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)測(cè)角精度和探測(cè)距離兩個(gè)參數(shù)分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)平面測(cè)角實(shí)驗(yàn)以及系統(tǒng)探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)平面測(cè)角實(shí)驗(yàn)中利用麥克風(fēng)陣列從不同標(biāo)定的角度采集聲源數(shù)據(jù)，利用采集的聲源數(shù)據(jù)計(jì)算聲源的實(shí)際方位角信息，通過(guò)比較標(biāo)定的角度與實(shí)際算法計(jì)算出的角度得出系統(tǒng)測(cè)角精度誤差，如圖6所示，可以看出實(shí)際測(cè)量角度與設(shè)定角度的誤差在[-2°，2°]之間，處在允許測(cè)角誤差范圍之內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的測(cè)角精度，同時(shí)也初步驗(yàn)證了系統(tǒng)測(cè)向性能。

結(jié)合圖7低空無(wú)人飛行器聲源方位探測(cè)系統(tǒng)采集飛行器音頻數(shù)據(jù)時(shí)頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)人飛行器飛行音頻數(shù)據(jù)能量主要集中在200hz和3500hz附近，這兩個(gè)頻點(diǎn)就是無(wú)人飛行器飛行音頻數(shù)據(jù)的特征頻點(diǎn)。系統(tǒng)探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算不同距離處這兩個(gè)頻點(diǎn)的信噪比，利用matlab中的多項(xiàng)式擬合函數(shù)擬合出不同距離下特征頻點(diǎn)信噪比衰減曲線。結(jié)合圖8兩個(gè)特征頻點(diǎn)信噪比衰減曲線可以發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)的90％發(fā)現(xiàn)概率，10^-6虛警概率，信噪比13db情況下，200hz特征頻率作用距離大約為300米，3500hz特征頻率作用距離大約為40米；當(dāng)信號(hào)能量是噪聲能量?jī)杀稌r(shí)，即信噪比為3db，200hz特征頻率作用距離大約為645米，3500hz特征頻率作用距離大約為50米，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)作用距離良好，另外在城市環(huán)境中可以通過(guò)多點(diǎn)分布架設(shè)系統(tǒng)來(lái)擴(kuò)大探測(cè)范圍以及提高定位精度。