孕热来与变用
应用研究
基于音频定位的河道危险地段报警系统的研究
苗青林
(河南科技学院机电学院河南新乡453003)
摘要：为了提高河道危险区或的管理，提醒靠近人员注意安全，本文提出了一种由三路高精度拾青器结合单片机进行控制的安防系统。该系统采用到达时差的方法来确定移动音源的位置，先获得声音信号到达格音器对的时间差，再根据到达时间差和拾音器的位置获得移动音源的住置，系统具有定位快,提醒及时，实用性强的特点。
关键调：采集TDOA定位控制
中图分类号：TM76 引言
文献标识码：A
文章编号:1007-9416(2013)05-0137-0)
声源信号的时延差为t.n，麦克风O和B接收到声源信号的时延差为 to，则SA,SB,SO之间的关系为
我国河流众多，河道错综复杂，在近几年由于有些河道疏于管理，经常出现人员误入危险地带发生危险等问题，造成人力和财力上的损失。各级管理部门也是在不断的采取措施进行预防，但是效果基微。究其原因，主要是人们在危险地段作业或经过危险地段时，不注意危险的存在，自已疏忽大意造成的。
声音信号在时间轴上是一维的，在空间上是沿球面径向传据的，任何方向上的传感器都能接收到声波，因此通过对声音信号的采集和处理，判断出发生体的位置"，通过单片机系统与拾音系统相
结合，完成对移动声源的定位。 1系统原理
本系统由声音信号采集单元、信号处理单元、单片机核心控制单元和输出报警单元组成。声音信号采集单元采用将接近物体发出的声音进行采集和提取，并经过放大送给信号处理单元，信号处理单元是将提取出来的音频信号处理成单片机能够识别的数字脉冲信号，最后单片机控制单元将三个采集点声源信息进行比对识别，测量出各点采集信号的时间差值，通过定位算法的计算完成当前声源位置分析，如果发生发声物体达到或超越危险警戒时，驱动输出
报警信号进行报警。 2信号采集与处理
2.1音频信号的采集
目标音频赖信号采集电路包括麦克风前级偏置和二级放大两个部分。该电路是由品体三极管VT1VT3构成的多级音频放大器。驻极体话简MI接收到声波信号后，输出相应的微弱电信号。该信号经电容器C1耦合到V1的基极进行放大，放大后的信号由其集电极输出，再经C2耦合到V2进行第二级放大，最后信号由V3发射极输出。电路中，C4为旁路电容器，其主要作用是消除输出信号中形成噪音的各种谐波成份。C3为滤波电容器，为整机音频电流提供良好通路。
2.2音频信号的处理
A,O.B这三路接收电路采集到的音频信号经过处理电路转换后送人单片机控制核心。由于声音在空气中的传播时间与传播距离成正比，所以音频信号到达A，O、B三处拾音器的时间是不相同的，因此只要在三路数字化后的音颠信号中找到各自声波的起始点对应的时间，就能够计算出音颠信号到达三路拾音器的时间差。为求得较为精确的到达时间差，我们采用时延估计法予以计算213]
时延估计法基本原理是通过空间布设的传声器阵列，接收目标发出的声音信息，再根据一定的算法估计出目标的空间位置。二维空间声音定位最简单的模型是由三个柱极体麦克风组成的传感器线阵，如图1所示。A，O、B为三个柱极体麦克风，闻距为d，根据三角
型余弦定理可得关系式：
SA=SO+d2+2d+SO* cos 6
(1)
SB=SO+d22d+SO+ cos6
(2)
假定环境中的声速已知(D=340m/s)，且麦克风A和O的接受到
SA=SO+D+tac SB=SO-D+ r
有式(1)(2)(3)(4)，解得： S [24*- ( +]
2v(fzo fge)
(3)(4)
(5)
声源方向间角6也可以通过上面的方程式解得，但在实际试验中发现方向角θ可以有简单的近似方法来得到，且不影响系统的实际应用性能。从以上的分析可以看出，对于二维的空间，采用麦克风阵列估计声源的位置，关键在于估计声源到达麦克风阵列单元的时延差。
3软件实现
根据上述方法所措搭建的声音定位模型，本系统性能的验证实验在普通的实验室环境中进行。3个高精度拾音器安装固定于地上，互相间隔5m成一字形排布，在整个实验过程中，发音系统持续提供固定频率为4Khz的正弦音频信号，然后声源外部单片机系统根据拾音系统所采集的音额信息，利用TDOA的方法计算出目标的的距离，从而算出目标位置，并通过进行系统判断分析，当距离X坐标低
于1m时，进行报警警告。 4结束语
该系统采用三处固定于不同位置的高精度拾音器来采集同一个移动声源发出的音频信号，然后根据音频信号到达抬音器对的到达时间差TDOA(timecifierenceof amival)来计算出移动声源相对于各个拾音器的位置，从而精确判断出移动声源所处的位置。采用本方案搭建的声源定位系统与传统的采用相位角进行判断的声音定位方法相比具有传感器数量少，定位速度快，数据处理方法简单方便等优点。
由于系统控制核心的频率采用12MHz品振，所以系统检测时存在坐标测量误差，但是该误差并不影响整体报警的运行工作。此外进行整机测试时，声源采用的是普通声音中存在的4KHz频率，因此需要在今后的研究中加大对各种音频赖信号的采集和研究，从而提
高对各种物体接近警戒线的检测用。参考文献
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作者简介：苗青林，1979一，男，吉林省松原市人，助教，本科.研究方向：自动化控制及计算机控制技术的研究。
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