ارائه الگوریتم جهت یابی مقاوم در برابرتغییرات ناگهانی آرایش میکروفونی برای منابع صوتی ناپیوسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری - رشته برق مخابرات - دانشگاه صنعتی مالک اشتر - تهران - ایران

2 هیات علمی

چکیده

جهت‌یابی صوتی به معنای محاسبه جهت ورود سیگنال صوتی منتشر شده از منبع در آرایه میکروفونی می‌باشد و با توجه به انواع روش‌های موجود که در این مقاله دسته‌بندی شده، صورت می‌گیرد. ساختار آرایش میکروفونی نقش به سزایی در دقت جهت‌یابی منابع صوتی دارد و با آسیب یک یا چند میکروفون در آرایه، دقت جهت‌یابی کاهش می‌یابد. در این مقاله، الگوریتمی جدید برای جهت‌یابی منابع صوتی ناپیوسته ارائه گردیده که میزان حساسیت آن در برابر تغییرات ناگهانی آرایش میکروفونی در محیط واقعی کاهش یافته است. الگوریتم پیشنهادی بر مبنای تاخیر زمان ورود سیگنال صوتی ناپیوسته به میکروفون‌ها عمل نموده و با هرگونه تغییر در آرایش میکروفونی منطبق می‌شود. در الگوریتم پیشنهادی، متناسب با آرایش میکروفونی، ماتریس تاخیر زمانی بین میکروفون‌های آرایه در فضای سه بعدی از روش SRP-PHAT با فرض استقرار منبع فرضی در 500‌متری، شبیه‌سازی می‌گردد. این ماتریس با تغییر آرایش میکروفونی بصورت خودکار و بدون انجام محاسباتی، بروزرسانی می‌گردد. سیگنال ورودی منابع صوتی در محیط نیز که حاوی ماتریس تاخیر زمانی کاندید می‌باشد از روی میزان تطبیق با ماتریس شبیه‌سازی شده مطابق با روش پیشنهادی در این مقاله، جهت‌یابی می‌گردد که دقت آن وابسته به دقت ماتریس شبیه‌ساز می‌باشد. عدم محاسبات پیچیده، ساده‌سازی و وفقی بودن جهت‌یابی با تغییر آرایش میکروفونی، از ویژگی‌های اصلی این الگوریتم به حساب می‌آید. همچنین الگوریتم پیشنهادی با الگوریتم SRP-PHAT استاندارد مقایسه گردیده است. نتایج حاصل از الگوریتم پیشنهادی، در تست‌های محیطی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی و مراجع مختلف مقایسه گردیده است

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Provide an algorithm resistant to sudden changes of the microphone arrangement for the direction of discontinuous acoustic sources

نویسندگان [English]

  • aghil abiri 1
  • Mohammad Hossein Madani 2
1 Ph.D. Candidate, Faculty of Electrical, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 member of faculty
چکیده [English]

Direction of Arrival (DOA) estimation of acoustic source is including the main bases environmental surveillance in an environment. DOA acoustic means calculated to enter acoustic wave emitted by the source in microphone array that is provided different methods for this issue. In this paper, a method is proposed that based on the delay of the time of entering the discontinuous sound signal into the microphone array. The proposed algorithm has, in addition to accuracy, adaptability by changing the microphone arrangement. In the proposed algorithm, proportional to the microphone arrangement, the time delay matrix between the arrays of the microphones in a three-dimensional space is simulated with the assumption of the deployment of the source in 500 meters with the SRP-PHAT algorithm. By forming this matrix, the direction of the discontinuous sound sources in the real environment is performed with the accuracy of the simulator matrix. In this simplification is decreases the computational complexity and DOA is adaptive to change the type of microphone arrangement. Also, this algorithm, which is an smart SRP-PHAT algorithm, has been compared with the standard SRP-PHAT algorithm. The results of the proposed algorithm of the designed system are compared in environmental tests with simulation results and various references. The results indicate a precision of 0.1 degrees in the DOA of the discontinuous sound sources.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Direction Of Arrival Estimation (DOA)
  • Acoustic source
  • Time Difference Of Arrival (TDOA)
  • Microphone Array
  • SRP-PHAT Algorithm
[1] A.L. Pichon, E. Blanc and A. Hauchecorne, “Infrasound Monitoring for Atmospheric Studies,” Springer Science, New York: 2010.
 
[2] M. Cobos, F. Antonacci, A. Alexandridis, A. Mouchtaris, and B. Lee, “A Survey of Sound Source Localization Methods in Wireless Acoustic Sensor Networks,” journal of Wiley, Hindawi Wireless Communications and Mobile Computing, pp.1-24, 2017.
 
[3] S. Stapov, J. Ehala, j. Berdnikova and J. Prederr, “Gunshot Acoustic Component Localization with Distributed Circular Microphone Arrays,” IEEE International Conference on Digital Signal Processing (DSP), vol. 978-1-4799-8058, pp. 1-15 ,2015.
 
[4] C. Akman, T. Sonmez, O. Ozugur, A. B. Basli, M. K. Leblebicioglu, “Sensor fusion, sensitivity analysis and calibration in shooter localization systems,” journal of Sensors and Actuators A: Physical, pp.66-75, 2018.
 
[5] A. Alexandridis and A. Mouchtaris “Multiple Sound Source Location Estimation in Wireless Acoustic Sensor Networks using DOA estimates: The Data-Association Problem,” IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol. 26, no. 2, pp.342-356, 2018.
 
[6] M. B. Coteli, O. Olgun, and H. Hacihabiboglu, “Multiple Sound Source Localisation with Steered Response Power Density and Hierarchical Grid Refinement,” IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol. 26, no. 11, pp. 2215 - 2229,2018.
 
[7] S. Astapov, J. Berdnikova, J. Ehala, J. Kaugerand and J. S. Preden “Gunshot acoustic event identification and shooter localization in a WSN of asynchronous multichannel acoustic ground sensors,” journal of Multidimensional Systems and Signal Processing, vol. 22, no. 2, pp. 563-595, 2018.
 
[8] J. Fischer, W. Loges and W. Meuser, “Method for determining artillery position,” Translation from German Patent no. DE-3239403-Al, 1984.
 
[9] D. M. Paredes and J.A. Apolinario, “Shooter Localization based on DoA Estimation of Gunshot Signals and Digital Map Information,” Latin America Transactions, IEEE , pp. 441 - 447, 2015.
 
[10]A.M.C.R. Borzino, J.A. Apolinario, M.L.R.de Campos and L.W.P. Biscainho, “Signal Enhancement for Gunshot DOA Estimation with Median Filters,” Circuits & Systems (LASCAS), IEEE 6th Latin American Symposium, pp. 1 - 4, 2015.
 
[11] D. D. Guerra and J. R. Beltran, “Direction of Arrival Estimation with Microphone Arrays Using SRP-PHAT and Neural Networks,” IEEE 10th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), pp. 617 - 621, 2018.
 
[12]T. Dudyala1, S. Munnangi and S. K. Mani, “Grouping Subarray for Robust Estimation of Direction of Arrival,” Twenty Fourth National Conference on Communications (NCC), pp. 1 - 5, 2018.
 
[13] D.M. Paredes and J.A. Apolinario, “Shooter localization using Microphone Arrays on elevated platforms,” Central America and Panama Convention (CONCAPAN XXXIV), IEEE Conference Publications, pp. 1 - 6, 2014.
 
[14]T. Chen, Q. Huang, L. Zhang and Y. Fang, “Direction of Arrival Estimation Using Distributed Circular Microphone Arrays,” 14th IEEE International Conference on Signal Processing (ICSP), pp. 182 - 185, 2018.
 
[15] J. G. C. Ribeiro, F. G. Serrenho, J. A. Apolinario and A. L. L. Ramos, “Effective direction of arrival estimation of gunshot signals from an in-flight unmanned aerial vehicle,” Proc. SPIE 10648, Automatic Target Recognition XXVIII, pp.1-12, 2018.
 
[16]R. P. Fernandes, A. L. L. Ramos and J. A. Apolinario, “Airborne DoA estimation of gunshot acoustic signals using drones with application to sniper localization systems,” Proc. SPIE 10184, Sensors and Command Control Communications and Intelligence (C3I) Technologies for Homeland Security, Defense, and Law Enforcement Applications XVI, 2017.
 
[17] J. G. C. Ribeiro, F. G. Serrenho, J. A. Apolinario and A. L. L. Ramos, “Improved DoA estimation with application to bearingsonly acoustic source localization,” IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology (ISSPIT), pp.100- 105, 2017.
 
[18]T. Damarla, L.M. Kaplan and G.T. Whipps, “Sniper Localization Using Acoustic Asynchronous Sensors,” Sensors Journal IEEE, pp. 1469 – 1478, 2010.
 
[19] J. Sallai,W. Hedgecock, P. Volgyesi, A. Nadas, G. Balogh and A. Ledeczi, “Weapon classification and shooter localization using distributed multichannel acoustic sensors,” Journal of Systems Architecture 57, pp. 869 – 885, 2011.
 
[20]F. Wang, Y. Chen and J. Wan, “In-Depth Exploration of Signal Self Cancellation Phenomenon to Achieve DOA Estimation of Underwater Acoustic Sources,” journal of Applied Sciences, vol. 9, no. 3, pp.1-24, 2019.
 
[21]A. Pourmohammad, and S. M. Ahadi, “Real “Time High Accuracy 3-D PHAT-Based Sound Source Localization Using a Simple 4- Microphone Arrangement,” IEEE SYSTEMS JOURNAL, vol. 6, no. 3, pp. 455 - 468. 2012.
 
[22]N. Nassaji and M. Shafieian, “Detection of Point Sound Source Using Beamforming Technique in Complex Environments,” Open Journal of Acoustics, vol. 8, no. 1, pp. 23–35, 2018.
 
[23]A. Caglar, “Multi Shooter Localization With Acoustic Sensors,” Degree of Master of science, middle east technical university, Turkish. 2017.
 
[24] H. Liu, B.Li, X. Yuan, Q. Zhou and J. Huang, “A Robust Real Time Direction-of-Arrival Estimation Method for Sequential Movement Events of Vehicles,” journal of Sensors (Basel), vol. 18, no. 4, 2018.
 
[25]C. Akman, T. Sonmez, O.Ozugur, A. B. Bash and M. Kemal, “Sensor fusion, sensitivity analysis and calibration in shooter localization systems,” Journal of Sensors and Actuators A: Physical, vol. 271, no. 1, pp. 66–75, 2018.