麦克风声源定位原理_关于基于麦克风阵列的声源被动定位系统的设计

0 引言

声源目标定位主要是利用传声器阵列接收被监测信号，进而确定被监测声源在声场中相对于已知位置的角度和距离，即角度估计(Angle Estimating)和距离估计(Range Estimating)[1]。随着数据采集系统速度、分辨率提高及小型化、低功耗等性能的提高，声源定位系统的性能也在不断提高[2]。本文提出的基于麦克风阵列的声源被动定位系统，旨在获得定位精度高、体积小、低功耗的声目标定位系统，对于军用仓库、人员不易达到的恶劣环境等区域的声源监测具有重要的使用意义。

1 方案设计

麦克风阵列被动声源定位系统的整体方案如图1所示。系统由两大部分构成，分别是信号获取的硬件部分和系统控制及算法实现的软件部分。

信号获取部分主要包括：端麦克风阵列、阻抗匹配电路、抗混叠滤波电路、增益可调电路、ADC同步采样电路、Flash数据存储、USB同步传输、FPGA控制模块和电源模块等。声源信号在空气中传播到达麦克风阵列，由模拟接口电路将信号传输到阻抗匹配电路，消除尖刺、抖动现象，使信号稳定。然后经过四阶抗混叠滤波电路，滤除掉其中的无用噪声，提高信噪比[3]。因为传声器输出是很微弱的电信号，在前端用增益可调的电路模块对其进行可调性放大。放大之后经过A/D转换把模拟量变成数字量，FPGA控制数据通过USB接口实时上传给上位机处理。系统控制及算法实现部分主要作用是给采集系统下发命令，对上传的数据根据到达时间差算法的原理进行计算，实现声源相对于参考阵元的方位和距离的估计。

2 硬件电路设计

实际的十字形麦克风阵列摆放如图2所示。图中，M1，M2，…M5表示十字阵列的5个十字形拓扑的5个阵元，M1为参考阵元。

经过滤波电路后信号中的高频噪声被滤除，麦克风的输出信号是微弱信号，所以需要在A/D采样电路前设计前置放大电路，将信号放大到的采样保持在电路的电压量程中。

针对前置放大器通频带较宽、信噪比较高、增益可调的性能要求，本声