本發(fā)明涉及無人系統(tǒng)感知，特別是涉及一種可以實(shí)現(xiàn)對周向360度目標(biāo)聲音的檢測、識別和定向測距功能的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳聲器陣列可作為無人系統(tǒng)的智能聽覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)典型目標(biāo)的聲信號檢測、識別、定位等探測功能。

2、線陣無法分辨線陣左右兩側(cè)方向，僅在線陣一側(cè)中垂線±60°范圍內(nèi)具有較好定向性能。均勻線陣的陣列流形具有規(guī)范的范德蒙形式，因此有大量利用該特性的優(yōu)化波束形成方法，在此基礎(chǔ)上發(fā)展有相對完善的稀疏線陣?yán)碚摗?/p>

3、平面陣應(yīng)用較多，其在平面前方錐形區(qū)域范圍內(nèi)具有較好波束性能，通常用于聲成像。目前常見平面陣為多臂對數(shù)螺旋陣或向日葵陣列，該類陣型可在較寬頻帶范圍內(nèi)具有更好的波束性能。

4、球形陣列可對水平和俯仰各360°周向進(jìn)行測向，近似均勻分布的球形陣列可在球諧域進(jìn)行模態(tài)域波束形成，實(shí)現(xiàn)分析頻帶內(nèi)與頻率無關(guān)的波束指向性。但通常僅需對上半球?qū)?yīng)空間監(jiān)測，即半球形陣列可滿足聲探測要求。

5、單個聲陣列通常僅可用于被動測向，無法測距定位。而傳統(tǒng)無人設(shè)備上多為單陣列，而且傳統(tǒng)單陣列只是用來識別語音、進(jìn)行語音定向，只能定向或借助激光測距等其他手段進(jìn)行測距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，本發(fā)明提供用于克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于識別警笛、無人機(jī)、槍聲、爆炸聲等，并對聲源進(jìn)行定向、定位。

2、本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，包括：

4、兩個半球傳聲器陣列，兩個所述半球傳聲器陣列成間隔分別設(shè)置于無人系統(tǒng)的背部；所述半球傳聲器陣列包括半球結(jié)構(gòu)主體以及均分采樣分布于所述半球結(jié)構(gòu)主體上的16個傳聲器；

5、控制器，所述控制器與兩個所述半球傳聲器陣列可通信相連；

6、所述控制器用于執(zhí)行以下操作：

7、利用能量檢測算法結(jié)合兩個所述半球傳聲器陣列中的一個或兩個獲取到的采樣信號的能量，判斷所述采樣信號是否存在目標(biāo)信號；

8、確定存在所述目標(biāo)信號后采用聲音類別識別算法對所述目標(biāo)信號對應(yīng)的聲音類型進(jìn)行識別；

9、基于半球形聲陣列的接收信號模型分別對兩個半球傳聲器陣列與聲源進(jìn)行定向，以便獲得第一定向結(jié)果以及第二定向結(jié)果；

10、利用交匯定位算法結(jié)合所述第一定向結(jié)果以及所述第二定向結(jié)果解算獲得所述聲源的定位信息。

11、優(yōu)選地：所述半球結(jié)構(gòu)主體包括半徑42毫米的剛性半球體。

12、優(yōu)選地：所述半球傳聲器陣列最大模態(tài)階數(shù)n＝3，對應(yīng)分析頻率上限為3867赫茲。

13、優(yōu)選地：所述能量檢測算法包括利用所述采樣信號的能量，與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，以判定所述采樣信號是否存在所述目標(biāo)信號。

14、優(yōu)選地：所述能量檢測算法的統(tǒng)計量和判決準(zhǔn)則由下式表示：

15、

16、式中：t為檢測統(tǒng)計量，x(n)為采樣信號，n為采樣點(diǎn)數(shù)，γ為判決門限，h1為超過閾值存在目標(biāo)信號，h0為不存在目標(biāo)信號。

17、優(yōu)選地：所述聲音類別識別算法包括采用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建獲得的針對典型目標(biāo)聲音的深度學(xué)習(xí)識別分類網(wǎng)絡(luò)。

18、優(yōu)選地：基于半球形聲陣列的接收信號模型利用球諧域分別對兩個半球傳聲器陣列與聲源進(jìn)行定向，以便獲得第一定向結(jié)果以及第二定向結(jié)果。

19、優(yōu)選地：所述球諧域的遠(yuǎn)場源定位的功率譜由下式表示：

20、

21、式中：ψ表示譜峰值時所對應(yīng)的角度。

22、優(yōu)選地：所述第一定向結(jié)果包括第一到達(dá)角，所述第二定向結(jié)果包括第二到達(dá)角；利用所述第一到達(dá)角以及所述第二到達(dá)角建立一組超定方程并采用最小二乘法求解獲得所述聲源的定位信息。

23、優(yōu)選地：所述超定方程按照ax＝b的方式由下式表示：

24、

25、進(jìn)一步可求的z為：

26、

27、式中：di(z＝zi)表示di在水平面上的投影模值。

28、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

29、本申請實(shí)施例提供的一種基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)頻率與方位信息解耦，突破傳統(tǒng)陣列定向方法的瑞利限的限制，即實(shí)現(xiàn)無畸變的寬帶波束形成，尤其是可以利用小尺度半球陣列實(shí)現(xiàn)水平360度俯仰90度空間內(nèi)低頻信號定向。同時，半球陣列的模態(tài)域處理可以無失真的提取目標(biāo)的寬帶聲信號，而傳統(tǒng)陣列信號的空域?yàn)V波和頻率相關(guān)，導(dǎo)致寬帶信號提取存在失真。

30、在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小尺度雙半球陣列部署，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)獨(dú)立定位功能。加上單個聲陣列的檢測、識別功能，實(shí)現(xiàn)小尺度陣列下的環(huán)境聲場信息智能感知。可以為無人系統(tǒng)提供智能聽覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對周向360度目標(biāo)聲音的檢測、識別和定向測距功能，并與其他如視頻模塊信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)對周圍環(huán)境的多物理場信息感知，為其決策和行動提供有效信息支撐。

31、當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述半球結(jié)構(gòu)主體包括半徑42毫米的剛性半球體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述半球傳聲器陣列最大模態(tài)階數(shù)n＝3，對應(yīng)分析頻率上限為3867赫茲。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述能量檢測算法包括利用所述采樣信號的能量，與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，以判定所述采樣信號是否存在所述目標(biāo)信號。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述能量檢測算法的統(tǒng)計量和判決準(zhǔn)則由下式表示：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音類別識別算法包括采用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建獲得的針對典型目標(biāo)聲音的深度學(xué)習(xí)識別分類網(wǎng)絡(luò)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，基于半球形聲陣列的接收信號模型利用球諧域分別對兩個半球傳聲器陣列與聲源進(jìn)行定向，以便獲得第一定向結(jié)果以及第二定向結(jié)果。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述球諧域的遠(yuǎn)場源定位的功率譜由下式表示：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述第一定向結(jié)果包括第一到達(dá)角，所述第二定向結(jié)果包括第二到達(dá)角；利用所述第一到達(dá)角以及所述第二到達(dá)角建立一組超定方程并采用最小二乘法求解獲得所述聲源的定位信息。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述超定方程按照ax＝b的方式由下式表示：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于雙半球陣列的聽覺系統(tǒng)，涉及無人系統(tǒng)感知技術(shù)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)低頻噪聲寬帶定向處理，使得單個小尺度半球陣列可實(shí)現(xiàn)檢測、識別和定向功能，進(jìn)一步的通過兩個半球陣列的定向結(jié)果交匯可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。通過在無人系統(tǒng)背部首尾各安裝一個微型半球形聲陣列，一方面可以增大陣列孔徑，提高測向穩(wěn)定性；另一方面，雙陣列類似于人的雙耳，可以更好地感知空間聲場信息，改善定位性能。突破了傳統(tǒng)陣列定向方法的瑞利限的限制，即實(shí)現(xiàn)無畸變的寬帶波束形成，尤其是可以利用小尺度半球陣列實(shí)現(xiàn)水平360度俯仰90度空間內(nèi)低頻信號定向。

技術(shù)研發(fā)人員：吳永存,張瑜,朱松柏,賴春強(qiáng),歐陽長青,曾勤波,駱云志,陳志菲,鮑明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9