2021年第02期
132
中国高新科技科技探索 | TECHNOLOGY EXPLORATION
计佳辰 刘吉卿 邓雅麒 金素宇
（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）
摘要：
声源定位技术在故障定位、会议应用、交通执法等领域发挥了重要的作用。其中，MUSIC算法具有定位准确的优点，但该算法对于不平稳状态下的运动声源定位存在明显缺陷。文章提出基于瞬时加窗MUSIC算法对运动声源进行定位分析，并采用STM32系列单片机及AD7606数模转换芯片为核心，对声源信号进行采集，达到声源定位的目的。关键词： 声源定位；MUSIC 算法；信号处理；STM32；AD7606 文献标识码：A 中图分类号：TN911文章编号：
2096-4137（2021）-02-132-02 DOI：10.13535/jki.10-1507/n.2021.02.56 Research on moving sound source location based on instantaneous windowed MUSIC algorithm
JI Jiachen, LIU Jiqing, DENG Yaqi, JIN Suyu
(China Shipbuilding Industry Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China)
Abstract : Sound source location technology has played an important role in fault location, conference applications, traffic law enforcement, and other fields. Among them, the MUSIC algorithm has the advantage of accurate positioning, but this algorithm has obvious defects in the positioning of moving sound sources in an unstable state. This paper proposes to locate and analyze the moving sound source based on the instantaneous windowed MUSIC algorithm, and uses the STM32 series single-chip microcomputer and AD7606 digital-to-analog conversion chip as the core to collect the sound source signal, to achieve the purpose of sound source localization.
Keywords: sound source location; MUSIC algorithm; signal processing; STM32; AD7606
Schmidt 等在1979年首次提出了经典MUSIC 算法。该算法的原理是基于矩阵特征分解，利用信号子空间与噪声子空间的正交性构造出空间谱函数，在空间谱域求出谱函数的最大值，最后求出的谱峰角度即为信源方向，实现声源信号定位。
1 瞬时加窗MUSIC 算法
由经典MUSIC 算法的计算原理可知，基于MUSIC 算法对声源的定位需要两种假设，一是声源为平稳窄带信号，二是信号噪声相互独立，但在实际情况中声源信号为不平稳信号，并且声源在移动过程中会产生多普勒效应，导致信号频率偏移。本文针对这两个问题提出一种瞬时加窗MUSIC 算法，将采集到的信号插入时间窗。在这一段时间，窗内的信号可视为平稳信号，并且信号源移动所产生的频率偏移很小，由此可满足MUSIC 算法所需的假设。将时间窗不断平
移，可通过该算法得出信号源的角度，实现移动信号源定位的目的。
双面绣是谁发明的
图1所表示的是声源在运动过程中与麦克风阵列的运动模型。其中，声源与麦克风的垂直距离为r ，声源发
射信号的时刻点为
t s ，信号到达阵列的时间点为t r ，信号入射角度为θ（t r ），由此可得出声源到麦克风阵列中心的直线距离也可以表示为t r 的函数R c （t r ）。麦克风阵列中的阵元间距为d 。由上述参数可得到：
t r = t s + R c (t r )/c （1）R c (t r ) = r/cos θ(tr) （2）
为使接收到的声源信号满足平稳窄带的条件，可利用瞬时加窗的方法将信号截取，通过对瞬时窗内的信号进行计算，便可获得此时间内声源的入射角度，因此瞬时窗的窗长选取非常重要。首先对公式(1)进行微分，可得：
()1sin /r r s
v t c dt dt +θ= （3）
根据瞬时频率的定义，上述公式可进一步写成：
()1sin /ts
tr r f f v t c
=
+θ （4）
其中，f tr 为麦克风阵列所接收到信号所表示的瞬时频率，f ts 为信号的瞬时频率。对式（4）的两侧的t r 进行微分，可得到：
()()23/2
221sin /1tan tr ts
r r r df v f dt rc v t c t = +θ+θ
（5）由于v/c<<1，公式（5）可简化为：
钛雷(=≤)223/2
21tan tr ts ts
r r df v f v f dt rc
rc t +θ
（6）
假设窗长T 很小，可近似有：
r s
T
dt f =
（7）
图1 声源与麦克风阵列的运动模型
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式（7）中的f s 为采样频率。为确保每一个瞬时窗内的信号满足窄带信号条件，可得：蜂窝煤采暖炉
<<201
10
B s v T W rcf f （8）
经过化简后得出窗长T ：
2
10s
crf T v <
（9）
以实验信号参数为例，将r=2m ，f s =kHz ，v = 10m/s 带入上式，可测得窗长大小应满足T<3400。为计算简便，在计算中统一选择3000个采样点对仿真信号和实验信号进行瞬时窗处理。
2 基于STM32单片机的移动声源定位系统
基于STM32单片机的信号采集系统的设计是整个声源定位系统的关键部分。为保证实验经济性及定位的准确性，本文选取八元均匀线阵来采集声源信号，并通过上述算法对信号源进行定位计算。
3 整体硬件设计方案
该系统通过8个驻极体麦克风进行信号采集，信号通过滤波、运放电路后被放大，可通过AD7606芯片将信号转换为数字信号，由于AD7606芯片无法传输至上位机，因此信号经SPI 总线传输至STM32，再由LAN8720a 芯片以TCP/IP 的形式上传至上位机，经过上位机对信号处理后完成瞬时加窗及计算的工作，最终获取声源角度。
4 基于瞬时加窗MUSIC 算法下的实验验证
本文设计的声源采集系统PCB 效果图如图2所示。信号由OPA2376放大器进行放大滤波处理，经AD7606芯片转换成数字信号后，利用STM32单片机的网络拓展功能发送至上位机。浮油收集器
随着声源的逐渐移动，麦克风阵列对声源的定位角度也不断改变，实验中声源的移动速度约为10，设定时间窗T=3000，步进长度为100个采样点，其定位角度图谱如图3所示。
将实验重复测试10次，采用3次样条函数对定位谱峰进行插值拟合，最终得到的声源方位角度轨迹如图4所示。
由图4可以看到插值拟合后的声源方位角变化与实际声源方位角变化的角度差非常小，可以得出基于瞬时加窗的MUSIC 算法对于声源角度定位的可行性与准确性。
5 结语
本文利用STM32单片机及AD7606芯片为核心设计的信号采集系统，信号经过滤波放大后传输至上位机，并基于瞬时加窗MUSIC 算法对信号进行处理，得出声源的运动角度轨迹，从而实现声源定位。实验过程中发现，MUSIC 算
法在对声源定位过程中较为准确，但其计算量较大，无法通过单片机对信号进行实时处理，需要传输至上位机进行计算，且该算法对于相干声源信号存在定位失效的问题，因此需要进一步对该算法进行
改进。
作者简介：计
佳辰（1992-），男，吉林人，中国船舶工业系统工程研究院助理工程师，研究方
向：项目管理。
参考文献
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张洪润. 传感器技术大全[M].北京：北京航空航天
大学出版社，2007.
动静压主轴（责任编辑：张闪闪）
眼模
图
2 麦克风阵列采集板PCB 效果图
图3 麦克风对移动声信号的定位角度图谱
图4 插值拟合后的声源方位角度轨迹图
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