Verfahren zur Lokalisierung von Schallquellen im Raum

Transkript

1 Hauptseminar Technische Informationssysteme Verfahren zur Lokalisierung von Schallquellen im Raum Ali Jaber Dresden,

2 Überblick 1. Motivation 2. Ortungsverfahren Time Delay of Arrival (TDOA) Beamforming (räumliche Abtastung) Multiple Signal Classification (MUSIC) 4. Vergleich der Verfahren 5. Zusammenfassung und Ausblick 2 / 15

3 Motivation Einsatzgebiete der Schallquellenortung: Sehr viele unterschiedliche Ortungsverfahren und Algorithmen Vereinfachung : Erklärung der Verfahren anhand eines Mikrofonenpaares Annahme : Abstand zwischen Quelle und Mikrofon-Array garantiert ebene Welle (Fernfeldbedingung) 3 / 15

4 Time Delay Of Arrival (TDOA)(1) - Basiert auf Schätzung der Laufzeitdifferenz des Signals zw. den Mikrofonen - Anschliessend die Berechnung des Winkels und damit die Position mit: α=arccos( c T d ) Wobei: c: T : Schallgeschwindigkeit Laufzeitdifferenz d : Abstand zw. den Mikrofonen Wie wird nun T berechnet? 4 / 15

5 Time Delay Of Arrival (TDOA)(2) GCC (Generalized Cross Correlation) : - Auswertung der Kreuzkorrelationsfunktion der Mikrofonsignale und x 2 (t) - Berechnung im Zeitbereich mit der Faltung: x 1 (t) s 12 (T )= x 1 (t) x 2 (t+t ).dt T = Abstand vom Ursprung zum globalen Maximun 5 / 15

6 Time Delay Of Arrival (TDOA)(3) PHAT - Wichtung (PHAse Transform) : - Wurde das Maximum der KKF richtig ermittelt? Oder haben Rauschen und Echo das Ergebnis verfälscht? - PHAT steigert die Robustheit gegen Störeinflusse - Prinzip: Transformation der KKF in den Frequenzbereich (Kreuzleistungsspektrum) S 12 (ω)=x 1 (ω) X 2 * (ω) Wichtung mit: 1 W (ω)= ( X 1 (ω) X * 2 (ω)) Rücktransformation in den Zeitbereich Normierung des Amplitudenspektrums bei Erhaltung der wichtigen Phaseninformationen T bestimmen als Abstand zum Maximum 6 / 15

7 Beamforming (1) Die Richtcharakteristik : - Abhängigkeit zwischen empfangsempfindlichkeit und Einfallsrichtung der Welle - Darstellung in Polardiagrammen Addition zweier Mikrofonsignale 7 / 15

8 Beamforming (2) Prinzip : Die Richtcharakteristik eines Mikrofonarrays verändern und solange schwingen bis die Richtung maximaler Schallleistung gefunden wird - Ohne das Array zu bewegen mit Hilfe von Zeitverzögerungen Vezögerung eines Signals um 50% der Laufzeit Vezögerung eines Signals um 100% der Laufzeit 8 / 15

9 Beamforming (3) - Der Raum wird abgertastet, in dem Für verschiedene Winkel die passenden Zeitverzögerungen berechnet werden (d sin(α)) T = c mit c: d : α Schallgeschwindigkeit Abstand der Mikrofone - Die Mikrofonsignale werden addiert. - Bei der gesuchten Richtung ist der Wert der Summe maximal 9 / 15

10 MUSIC (1) - Eignet sich sehr gut für die Ortung mehrerer Quellen gleichzeitig in verrauschten Räumen - Einer der Algorithmen, die eine Signal Noise Subspace Analyse benutzen Trennung von Signal- und Rauschräumen auf basis einer Eigenwertzerlegung Mikrofonsignal = Quellensignal aus bestimmter Richtung + Rauschen X (ω) = A.Z (ω) + N (ω) Mit A: Der Steering Vektor (Siehe Richtcharakteristik) 10 / 15

11 MUSIC (2) Bestimme die Kovarianzmatrix S aus dem Mikrofonsignal X S= X X * Zerlege S in n Eigenwerte und die dazugehörigen Eigenvektoren (S λ E)V =0 mit Eigenwete des Signals >> Eigenwerte des Rauschens Räume trennen Mit Hilfe von den Eigenvektoren, Rauschleistung an allen Orten berechnen Suche Minima der Rauschleistung Rauschleistung ist am geringsten wo das Signalabgestrahlt wird Quelle gefunden 11 / 15

12 Vergleich der Verfahren(1) Auflösung vs. Robustheit gegen Störungen TDOA : nahezu unbegrenzte Auflösung, da keine Steering Vektore sehr Störanfällig Beamforming & MUSIC : duch steeringvektoren begrenzte Auflösung Zeigen hohe Robusthet gegen Störungen und Echowirkungen Delay & Sum Beamformer f= 1 KHz 12 / 15

13 Vergleich der Verfahren(2) Ortung mehrerer Quellen TDOA : ohne weiteres nicht möglich, wegen Maximum der KKF Beamforming & MUSIC : möglich, da Fokus des Array mit Steering Vektor manipulierbar MUSIC Verfahren f= 1 KHz 13 / 15

14 Zusammenfassung Was haben wir behandelt? - Quellenortung ist in vielen Gebieten verbreiten und gewinnt immer mehr an Bedeutung - Drei verschiedene Ortungsverfahren kennengelernt - Die Verfahren wurden in drei Kriterien miteinander verglichen Was haben wir nicht behandelt? - Ein sehr breites Spektrum an Ortungsverfahren und Erweiterungen, die die drei vorgestellten optimieren. - Ortung von beweglichen Quellen (Acoustic Tracking Systems) - Akustische Nahfeldholographie (NAH) 14 / 15

15 Literatur [1] M.Wölfel, J.McDonough: Distant Speech Recognition.Chippenham, UK: WILEY, [2] Werner Schirmer: Technischer Lärmschutz. 2.Auflage. Berlin: Springer, [3] Werner Mansfeld.Funkortung und Funknavigationsanlagen. Heidelberg: Hüthig, [4] M.Brandstein, D.Ward: Microphon Arrays. Heidelberg: Springer, [5] E.Hänsler, G.Schmidt. Topics in Acoustic Echo and Noise Control. Heidelberg: Springer, [6] Mathias Lippmann: Diplomarbeit Quellenortung im Raum. Dresden: / 15