篇一：声源定位系统 开题报告
燕山大学
本科毕业（）开题
课题名称：声源定位系统 学院（系）：
信息科学与工程学院 年级专业：
12级电子信息工程学生姓名：陈坤朋 指导教师：
练秋生教授完成日期：
2016/3/18
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
与许多技术一样，声源定位技术也是率先被应用于军事领域。早在第一次世界大战期间，人们就开始利用火炮发射时的响声来测定敌方火炮的方位。随着科学技术的飞速发展，人们对声源定位的需求也在日益提高，声源定位的测量范围与定位精度都有了很大程度的提高，其应用领域也随之扩展。除了在军事领域继续大展身手以外，声源定位技术还被广泛应用于电视电话会议，工业降噪，安防系统，机器人听觉等领域。
二十世纪八十年代以来，声源定位技术逐渐成为一项研究热点，世界各国纷纷投入大量人力、物力从事这方面的研究，科研成果如雨后春笋，层出不穷[1]。
在硬件方面，麦克风阵列在声音采集领域中得到了广泛应用，通过处理采集到的阵列信号，人们可以提取目标声源的空间特征信息。麦克风阵列是由多个麦克风构成的，有一定几何形状的阵列。它可以同时采集空间中不同位置的声音信号具有很强的空间选择性，较强的干扰抑制能力，可以灵活地进行波束控制[2]。
在声源定位技术方面，国外的起步要早于国内，当时被广泛应用的领域是军事领域。到目前，安装并正在使用声探测系统的国家有美国、以色列、日本和瑞典等等。广泛应用的声探测系统有AEWS声探测预警系统生产于以色列拉斐而公司，Helisearch直升机声探测系统生产于瑞典，PALS定位系统生产于美国的ISC公司。声探测技术的原理是通过微小基阵传声阵列被动的检测具有明显特征的声音信号的方位和距离。而且，受基阵阵元间距严重的限制了小基阵探测的精度，为了能够自由改变阵元间距，采用了小型基阵，其精度高达1米数量级。该技术的实现，使得单兵头盔式声测定位系统和车载声探测小基阵等在国外的军事领域中备受青睐[3]。
国内对这方面的研究起步较晚，理论研究与实际应用都还比较落后。目前，电子科技大学等高校对基于麦克风阵列的近场三维定位算法进行了理论研究，并准备在硬件上实现[4]。泛华测控推出了基于8*8麦克风阵列的噪声定位分析系统。不过总的来说，国内的研究大都处于实验室阶段，与工程应用阶段还有一定的距离。因此，在市场上，面向民用的声源定位的产品并不多见。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
1.基本内容
声源定位技术研究涉及声学、信号检测、数字信号处理、电子学、软件设计等诸多技术领域，在诸多军用和民用西东中具有极其重要的意义，对军事系统中，它有助于武器的精确打击，为最终摧毁对方提供有力保证；
就民用系统来说，可以为目标提供可靠的服务，起到安全保障作用。声源定位技术具有被动探测方式、不受通讯条件干扰、可全天候工作的特点，但因为声源定位环境的复杂性，再加之信号采集过程中不可避免的给语音信号掺进了各种噪声干扰，都是的定位问题成为了一个极具挑战性的研究课题。
本次研究得基本内容：设计一个基于单片机的声源定位系统，采用了麦克风阵列定位的方式利用时延估计技术对二维平面内的声源信号进行定位。系统包括：声响模块、接受模块、信号处理模块。
2.拟解决的主要内容
本次设计主要解决的问题是利用单片机定位生源的位置。声源发出声音，麦克风阵列接收后发送给信号处理模块，信号处理模块根据广义互相关算法计算声源位置，显示在显示屏上。
三、研究步骤、方法及措施
1.查阅资料，了解硬件的工作流程如图3-1所示
图3-1硬件系统流程图
2.系统软件实现
声源定位系统的实现程序的基本流程图如图3-2所示:
图3-2程序流程图
从程序流程图中可知，系统的软件主要包括:初始化子程序，数据读取子程序，时域滤波子程序，时延估计子程序以及坐标的计算与输出子程序。
四、设计对比
方案1：基于51系列单片机
51系列单片机具有完整的按位操作系统；
具有乘法及除法指令，方便编程；
具有二进制—十进制的调整指令，方便十进制的计量；
I/O脚的设置及使用方法简单。
方案2：基于MSP430系列单片机
MSP430系列单片机具有强大的数据处理能力，飞快的运行速度、功能耗量非常低、具有很多片内资源、高效便利的开发环境。
方案对比：
篇二：在声源定位的算法中,系统提供了四种算法,它们是：
在声源定位的算法中，系统提供了四种算法，它们是：
1. 2. 3. 4. [1]， 平面正方形[1]， [1]， [2]。
【1】归一正方形算法
如图，传感器阵列采用正方形，传感器的位置坐标为（L，L），（-L，L），（-L，-L），（L，-L）。则声源位置（x，y）可由下式算出（式中2L为正方阵的边长，Δt1，Δt2，Δt3分别为传感器2，3，4相对于1的时差，c是传播速度）：
【2】平面正方形算法
如图，正方形排列由x和y轴的传感器对组成，位置坐标为S0=(0，L), S1= (-L，0), S2= (0，-L), S3= (L，0);2L是传感器对的距离。这时声源位置（x，y）可由下式算出（C是传播速度）：
【3】任意平面三角形算法
如图，设传感器阵列的坐标分别为S0=（X0，Y0）=（0，0），S1=（X1，Y1），S2=（X2，Y2）。接收到的时差分别是0，Δt1，Δt2。声源位于（X，Y）或（r，θ），分别是直角或极坐标表示。声波的传播速度是C。
令Δ1=CΔt1，Δ2=CΔt2，
A=X2(X12+Y12-Δ12)-X1(X22+Y22-Δ22)，
B=Y2(X12+Y12-Δ12)-Y1(X22+Y22-Δ22)，
D=Δ1(X22+Y22-Δ22)-Δ2(X12+Y12-Δ12)，
Φ=tg-1B/A，
这时声源位置可由极坐标（r，θ）的形式给出：
【4】修正三角形算法
以任意三角形算法为基础，增加一个传感器S3=（X3，Y3），并设测得的时差为Δt3。在【3】中传播速度C是给定的。现给C一个变化范围（C-ΔC，C+ΔC），且给定速度步长δ。这样，每种速度C+nδ（n=±1，±2，?），均可由三角形算法得到一个声源位置（xn，yn），在这些侯选位置中，真实声源应当满足：
由此，不仅可以确定最佳的声源位置，而且可以获得信号的传播速度解。
注: [1]详细讨论见 Tobias A. Non-Destructive Testing, 1976,(2):9-12 或袁振明 马羽宽 何泽云，《声发射原理及其应用》， 北京:机械工业出版社 1985。
[2] 详细讨论见 饶宇 王成云 梁家惠，声发射源定位教学实验系统，《 第八届全国声发射学术研讨会论文集》（1999.6）167～171。
[索引] [概述] [GPS算法说明]
GPS模拟实验和声源定位不同，其模拟源（“导航卫星”）即发送换能器的位置是已知的，而接收换能器（“用户接收机”）的位置待求。为书写方便，用下标i表示第i个“卫星”的空间坐标（Xi，Yi）和“用户” 接收到它发出信号的传播时间（ti），用（X，Y）表示“用户接收机”位置。于是：
（Xi-X）2+（Yi-Y）2－C2ti2 = 0 （i=1，2，…,n） （2）
当n大于3时，可由最小二乘法导出(X,Y)的最佳值,它们应满足：
F(X,Y,C)=∑[(Xi-X) 2+(Yi-Y)2－C2ti2]2 = min （3）
由此可获得X，Y ，C应满足的一组代数方程：
这是一个三元的非线性代数方程组，可通过计算方法（例如迭代法）求得数值解。如果声速C已知，获得的将是一组二元代数方程；
若C未知，而且需要考虑钟差修正（发送换能器发出声脉冲的时间不能严格确定），则获得的是一组四元代数方程（n>4）。
本系统软件没有提供具体的程序和结果显示。
[索引] [声源定位的算法说明] [操作说明]
篇三：声源定位和GPS模拟实验报告
声源定位和GPS模拟实验报告
一．实验原理
1. 声源定位(二维)
如图所示,3个接收传感器S0、S1、S2的坐标分别是（X0，Y0）、（X1,Y1）、（X2,Y2），当平面上某处（X,Y）发出超声波时，该信号将先后被3个传感器所接收，设时间分别是t0,t1,t2,实验只能测出它们到达各个传感器的时间差△t1=t1-t0,△t2=t2-t0。设声波沿媒质表面的传播度为c，对换能器S0、S1而言，声源发生的位置应该在到该两点的距离差为c△t1的曲线上，这是一条双曲线。显然，利用△t1、△t2可以得到两条双曲线，它们的交点即是声源
将S0设为原点，声源位置为（X,Y），用极坐标表示，则满足：
??2+??2=??2
(?????1)2+(?????1)2=(??+??△t1)2 (?????2)2+(?????2)2=(??+??△t2)2
化简整理的
22??1+??12?△1??2cos??+??2sin??+△2
2
= ??2+??22?△21sin??+△1 2 ??1cos??+??
令
22 2
A=??2 ??1+??12?△1???1 ??2+??22?△22 22 2B=??2 ??1+??12?△1???1 ??2+??22?△22 2222C=△1 ??2+??22?△21?△1 2 ?△2 ??1+??
Acos??+??sin??=??
=cos??=sin??。Φ=tan?1
??
?1
??
θ?Φ =cos
??22
??1+??12?△1
r=
111至此，声源位置已通过极坐标给出。
2. GPS模拟
本实验对GPS过程的声学模拟是在一个二维的平面上进行的，位置（Xi，Yi）(i=1,2,……)已知的发送换能器（传感器做发送用，模拟“导航卫星“）发出声波（模拟卫星发出的电磁波），被位置（X,Y）的待求接收传感器（模拟用户）接收，它们之间有关系：
(???????)2+(???????)2=??2????2（i=1,2，……）
式中c为波的传播速度。显然，对一个二维的定位问题（确定X和Y），如果传播速度已知，要算出X和Y可以归结为一个求解两个变量的代数方程问题，也就是说原则上只要有两颗不同位置的模拟卫星就行了。实际的GPS定位，则至少要对四颗卫星同时进行测量，才能确定地球
坐标系中的三维坐标和因接收机时钟不同步所造成的种差修正。在本实验中，为了减小时差不准对定位精度的影响，应当获取来自多个“卫星“的位置和时差信息，并通过最小二乘法求得”用户“的位置和声波的传播速度。即当n大于3时，
F(X,Y,c)= [(???????)2+(???????)2???2????2]2=min 由此可获得X,Y,c应满足的一组代数方程：
????
=0 [(???????)2+(???????)2???2????2](???????)=0 ????
=0 [(???????)2+(???????)2???2????2](???????)=0 ????
=0 [(???????)2+(???????)2???2????2]????2=0 这是一个三元的非线性代数方程组，可通过计算方法求得数值解。若c未知，而且需要考虑钟差修正，则获得一组四元代数方程。可由牛顿迭代法求数值解。
二．实验仪器
传播媒质、模拟源（铅笔芯折断）、压力传感器、接收放大器、时差测定装置、计算机、隔离放大器、单脉冲发生器。
实验电路：
三．数据处理
1. 声源定位
选择坐标（50,200）单位：时间us位置mm
实验测得的结果（49.8,201.9）跟实际值相比相差很少，笔芯折断的位置和网格的误差都有可能引起实验结果与实际值的差异。
2. GPS模拟
计算的P3的坐标为X=-0.00170731 mm Y=-0.00144067mm 实验误差较小
主要误差来源：发生器的位置读数有误差，传感器与媒质界面的接触不均匀也可能带来误差。
思考题
1从测量原理、1.○仪器组成和信息特点来讨论声源定位和GPS仿真实
验的相同点和不同点。
答：测量原理：前者是已知接收器位置求声源位置；
后者是已知发生器位置求接收器位置。
仪器组成：前者：传播媒质、电压传感器、接收放大器、时差测定仪、模拟源。
后者：传播媒质、电压传感器，接收放大器，时差测定仪、
隔离放大器、单脉冲发生器。
信息特点：都是位置坐标和时间差。
2考虑到钢媒质的表面波传播速度约为3000 m/s,传播距离最长约为○
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