一种空间锥形六元麦克风阵列及其定位精度

一种空间锥形六元麦克风阵列及其定位精度 一种空间锥形六元麦克风阵列及其定位精 度 第6卷第4期 2005年8月 解放军理工大学学报(自然科学 版)JournalofPLAUniversityofScienceandTechnologyVo1.6NO.4 Aug.2005 文章编号:1009—3443(2005)04—0342—04 一 种空问锥形麦克风阵列及其定位精度 王学青,时银水,朱岩 (防空兵指挥学院,河南郑州450052) 摘要:为了满足声学预警系统全空域定位的需求, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一种锥形六元麦克风阵列并 分析其定位性能.定位 算法和误差公式是由理论推导得出,并作出了误差变化关系图分析其定位精度.分 析结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明.锥形六元阵 具备全空域定位能力,测角精度较高,并且消除了有效声速和阵形 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 对角坐标估 计精度的影响,4e-~,1距能 力较差,要加大阵元间距和提高时延估计精度才能解决. 关键词:麦克风阵列;声学无源定位;时延误差 中图分类号:TN912.16文献标识码:A Six——microphonedcone——shapedarrayanditslocatingaccuracyanalysis WANGXue—qing,SHIYin—shui,ZHUYQtl (AirDefenseForcesCommandAcademy,Zhengzhou450052,China) Abstact:Asix—microphonedcone—shapedarraywasdesignedfortherequestoflocali zationinfu11 arsPace,anditsperformanceanalysiswasofgreatsignificance.Thealgorithmoflocalization anderror weretheoretcallYdeduced,andtheerror— varietyfiguresweregiventoanalyzetheaccuracyoflocalization . Analyssshowsthatthenovelarraycanlocateasoundomnidirectiona1ywithmoreaccuracyof estimatin g angles'andgetrdofthelocatingaccuracylimitfromthevirtuesonicvelocityandthearraystruc tura1p a- rameterButitscapamtyofestimatingdistanceispoor,whichcanbeimprovedbyincreasingap ertureof thearrayandadvancingprecisionofestimatingtimedelay. Keywords:microphonearray;acousticpassivelocation;timede1averror 声学无源定位n包括无源测向和无源测距两 个方面,二者的精度都不同程度地受环境干扰和系 统误差等因素的影响.传统的平面四元阵采用时延 法进行无源定位,但只能在半球空域内对目标进行 定位.为了对运动目标进行全空域定位并提高定位 精度,提出了一种锥形六元麦克风阵列,并对其定位 性能进行了较详细的分析. 1空间锥形六713阵定位原理 空间锥形六元麦克风阵列仍采用时延法进行声 收稿日期:2004一IO-2I. 作者简介:王学青(1979一),男,助教;研究方向:防空兵技术装 备作战应用;E—mail:wxqmoniter@,t0m.c0m. 源定位.锥形六元麦克风阵列既具有全空域定位能 力,又具有优于平面四元阵的定位精度,同时还保留 平面四元阵的分维特性优势. 对六元立体传声器阵列,建立如图1所示的直 ) D x. 图l锥形六元麦克风阵列 Fig?lSix—microphonedcone—shapedarray 元 一,.1/ 第4期王学青,等:一种空间锥形六元麦克风阵列及其定位精度343 角坐标系.6个阵元的坐标分别为(D/2,0,0), S,(0,D/2,0),S.(一D/2,0,0),S.(0,一D/2,0), S(0,0,一D/2),S(0,0,D/2).目标(声源)'(,y, z)到阵形中心(坐标原点)的距离为r;俯仰角为0;方 位角为;D为阵列内同轴二阵元的距离.设目标为 点声源,目标发出的声信号以球面波的形式传播,到 达阵元5.的传播时间为t,;相对于5,到达阵元5. 的时延为.以此类推,5相对5,的时延别为,.用 c表示声速,则声源到5的距离为r,一t,声源到5, 53,5,55,56的距离r3与rl的差分别为dI—Z'I3C,r2 与rJ的差分别为d.一Z'24L",r与r的差分别为d.一 c.由此可得联立方程组: .+y.+2=r., (—D/2)+y+2一r, (—D/Z).+.+2.一r;, (+D/Z).+y!+2.一r;, (+D/Z).++2一r;, (2+D/2).+y.+一r;, (2一D/2)+y+一r;, 3一l=dl, 一 2 d2, 6一5=d3. 度,如果想得到更好的距离估计效果,则可采用较复 杂的加权最小二乘法,对3个距离进行加权平均. 各距离估计的加权因于分别为?/,?/z,?/..加 权因子满足 r一 ?Wr(9)P1 W===1.(10) =1 根据多元函数求极值理论,可求出总均方误差 最小时所对应的加权因子为 3 W一1/,户一1'2…) 其中:为第个距离估计的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差. 时延,和声速c的估计误差都会影响定位精 度;方位角,俯仰角只与,有关,而与有效声速f 和布阵间距D无关. (1)2时延误差对定位精度的影响 解联立方程组(1),可得r,,Y;再由直角坐标与球 坐标的对应关系可得r,0,.这就求出了目标的方 位,又因为r和r远大于d,d,d.,从而得到 ,/_—————一 sin一d2/?d+d;,(2) ,,_———————————一 COS0一d./?d+d;+d;.(3) 假设空气密度均匀,声波在大气中传播速度恒 定,将式(2)(3)进行分子分母同除c,并进行反三角 变换,便可得俯仰角(0.<<180.),方位角(0.< <360.)与时延及阵元间距的关系为 ,,'——————一 一arcsin(r24/?r+r),(4) ,,_—————————一一 0一arccos(f56/?r+r+r;6).(5) 从四阵元测距原理[3出发,由锥形六元阵的1 次时延估计可以得出3个测距结果 (r}6+rj—r3)f (6) (7) (8) 将3个距离估计进行平均,以提高距离估计精 1鼠足锥彤六兀阵测定的日寸延估计误差具有相l司 的统计特征是符合实际情况的.设,的测量误差的 方差为的零均值正态分布,则由此引起的方位角 ,俯仰角0及距离r的估计误差分别为 一 ?(+(= 一 ?(+(+(一 ,(113or'(3 一 ?(j+(0r+(— sin1sinD…)(一 .2)I/'", 可一 n0ncos0D(si!si0—)I/'" 一 ?(+()+(一 1sin0sin2sinD)(+!一 !)\J.", 只考虑时延估计误差引起的距离估计误差时, 加权最小二乘法距离估计的最小均方误差(这里只考虑时延误差引起的距离误差)可由式(17)计算. 一 鹰1.… 解放军理工大学学报(自然科学版)第6卷 当不考虑其他因素影响时,假设声速为334m/ S,阵元间距D一1m时的方位角误差随时延误差和俯 仰角变化关系,如图2所示.可以看出在俯仰角接近0. 时,方位角误差急剧增大.可以计算方位角为7O.,时 延误差为3Os时,方位角误差小于0.62.;方位角为 10.,时延误差为3Os时,方位角误差小于3.3.. 图2受时延误差影响的方位角误差变化 Fig.2VarietyoftheazimutherrorresultingfroIlltime delayerror 当不考虑其他因素影响时,假设声速为334m/ S,阵元间距D一1m时的俯仰角误差随时延误差和 俯仰角变化关系,如图3所示.可以看出在俯仰角误 差随着时延误差线性增大.时延误差为3Os时俯 仰角误差小于0.58.. 2?0 1-8 1-6 1-4 1,2 1.0 0.8 0.6 O4 02 0.0 ?-??___ IIIIIII ?l????? …一一?一…?一?一一?…一一?一…一?一…--t一… ????,?? ?lIIIII …一一L…一J…一J…一一L…一L…一?…一J…一 ?????-? ???????/ ?I-l-I-/ -?---l ????l?/1 ??????/? …一一r一一一一1…一1一一一一一r…一r…一T,'一一1一…. ?????/1? ?-???/,I? …一一'一一一一4一一一一J一一一一一一一一一,一一'一一一一J一…- ??l?/?? ????/??? …一一 L…一J一一一一J一一一一一—r-一一L一一一一?一一一一J一…. ??l/f??? ???/??l? …一- I-一…{一一一-;}—<一一一}一…}一一--~一…-I一一一一- ??/????? ??/????? …一一T一一一';一一一1'一一'一r'一一一r一一一一T一一一一1一一'一. ?/?????? ?/?????? 01020304050607O8O 8|s 图3受时延误差影响的俯仰角误差变化关系图 Fig.3Varietyofthepitcherrorresultingfromtimede layerror 当不考虑其他因素影响时,假设声速为334m/ S,阵元间距D=1m,时延误差为30s时的测量距 离误差随方位角和俯仰角变化关系,如图4所示.在 俯仰角为5O.处垂直e轴作切面,如图5所示.在方位 角为45.处垂直轴作切面,如图6所示. 从图5,6可以看出距离误差在方位角位于(kg0., 五90.+35.)和(五9O.+55.,(点+1)90.)与俯仰角位于 2oo l50 {100 50 0 图4时延误差为30s时,受时延误差影响的距离误差 变化 Fig.4Varietyofthedistanceerrorresultingfromtime delayerrorof30s 图5图4俯仰角为5O.时的切面图 Fig.5Sectionfigureoffigure4at50.pitch (点180.,k18O.+45.)和(点180.+75.,(点+1)180.)区 间内变化很小,而在这些区间外变化剧烈其中k为 整数.在方位角为35.,俯仰角为45.处,当时延误差 为3Os时,距离误差小于22m. ?????? --?--? 一一一一一一一一一一一一 '一一一一一一-…一一…一 ????-? ?-??-? -??-l- …一1一一一1一一一r一一一r一1晖三…r寸,一?——,? 图6图4方位角为45.时的切面图 Fig.6Sectionfigureoffig.4at45.azimuth 如?如加m0? 一.)/ 第4期王学青,等:一种空间锥形六元麦克风阵列及其定位精度345 六元阵的距离估计精度并没有得到质的提升, 在一定范围之内,距离估计精度仍然没有达到需求 水平.究其原因是由定位阵的"先天不足"_|所致,按 照此种被动定位体制,用阵元间距不大的几个传声 器对较远距离上的目标进行距离估汁,想达到较高 的精度是不可能的,就像双眼对较远的目标的距离 分辨力很差一样,要想提高分辨力就必须增大瞳孔 间距.同样的道理,从式(14),(16)可以看出,阵元 间距增大,测距精度也以平方的速度增加,目标距离 变远,测距误差以平方速度增大,而提高时延估计精 度也可以减小测距误差,但是时延估计的精度提高 是有限度的.另外,也可采用改变测距体制的办法提 高测距精度,可采用相距较远的两个阵列进行交叉 定位来提高测距精度. 3结语 本位提出了一种用于被动声定位的空间六点 阵,该阵可进行全空域定位,俯仰角的估计只与时延 有关,并且利用最小二乘法对多组距离估计进行加 权平均,以提高估计精度.虽然该阵相对于平面四点 阵有了进步,但距离估计在一定范围内仍然会出现 很大误差,需要继续改进. 参考文献: [1]PIERSOIAG.Timedelayestimationusingphase [J].IEEETrans[erAcoustic,Speech,SingnalPro— cessing,1981,ASS一19(3):471—477. 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