【摘 要】
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基于分布式麦克阵列的声源定位系统因为其传感器节点布置灵活、阵列尺寸小、包含的空间位置信息多、抗干扰能力强、容错性好以及定位精度高等优势,在军事、工业以及民生领域都具有广泛应用前景。然而,麦克阵列的个数及布置方式、定位算法和实际环境中噪声与混响等因素都会影响分布式定位系统的速度和精度。为了满足城市安防以及地震、火灾等由远及近的特殊搜救场所的迫切需求,本文研究了一种兼具速度和精度优势的分布式麦克阵列二
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基于分布式麦克阵列的声源定位系统因为其传感器节点布置灵活、阵列尺寸小、包含的空间位置信息多、抗干扰能力强、容错性好以及定位精度高等优势,在军事、工业以及民生领域都具有广泛应用前景。然而,麦克阵列的个数及布置方式、定位算法和实际环境中噪声与混响等因素都会影响分布式定位系统的速度和精度。为了满足城市安防以及地震、火灾等由远及近的特殊搜救场所的迫切需求,本文研究了一种兼具速度和精度优势的分布式麦克阵列二维声源定位系统,具体工作包括以下几个方面:（1）系统分析了传统声源定位技术的优缺点,并结合分布式声源定位系统的研究现状,提出两种改进的分布式定位算法:基于矢量求和偏离角度交叉的粗定位算法和方位角-半径-可控响应功率相位变换（Azimuth-Radius-Steered Response PowerPhase Transform,Azi-R-SRP-PHAT）的精定位算法。详细阐述了两种定位算法的工作原理及架构。（2）基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）开发平台设计分布式声源定位系统的下位机。基于微机电系统（Micro Electromechanical System,MEMS）设计并加工分布式麦克风阵列,采用Verilog语言和Quartus II开发环境完成16位I2S格式的音频数据的采集和乒乓缓存,并搭建以NIOS II处理器为核心的Qsys嵌入式系统,实现对声音数据的实时端点检测、SDRAM缓存和串口上行通信。（3）完成了分布式声源定位系统的上位机软件设计。利用MATLAB开发平台实现串口下行通信、分布式节点间的TCP/IP通信、矢量求和偏离角度交叉算法和Azi-R-SRP-PHAT算法的程序设计,实现了对声源的方向测量和二维位置估计。（4）设计并完成了分布式麦克阵列二维声源定位系统的相关实验。联合调试上位机与下位机,确定分布式阵列和单阵列上麦克风的个数,并提出选择不同排列间距的分布式阵列来进行长距离和近距离定位。实验结果表明,本系统可以在40m范围内实现声源方位角测量,最大绝对误差为±7.5°,绝对误差的均方根误差为3.37°;同时,可以在22m范围内实现对声源的位置估计,且距离误差的峰峰值不超过1.87m,距离误差的均方根误差不超过1.03m,可以满足搜救场合中由远及近、由粗到精的实时定位要求。
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