[发明专利]一种基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法

说明书

本发明属于无线监控技术领域，公开了一种基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法，在噪声背景下，利用声传感器阵列采集信号并通过互相关函数和短时傅里叶变换进行预处理得到频域信号；计算两路声信号的相对相位比并结合最大似然估计算法的原理获得所有可能的时延估计值的概率；在不依赖信号和噪声先验知识的条件下，将最大概率峰值所对应的时延值作为最终时延估计值。本发明可精确的估计出声源的到达时间差TDOA；取10组长度为1024个采样点的数据，对延迟0.0029s，0.0059s,0.0088s，0.0118s分别计算其均方误差，通过表1和表2可以看出本发明具有很大的准确度。

技术领域

本发明属于无线监控技术领域，尤其涉及一种基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法。

背景技术

目标被动定位技术一直是无线监控领域研究的热点问题且在军事监督、环境监测、抢险救灾等方面得到广泛应用。而被动目标本身不会发射电磁波，具有较高的隐蔽性，因此，研究精确的被动目标定位方案是十分必要的。目前国内外已研究出基于几何参数优化的定位技术主要可以分为基于到达时间TOA、到达时间差TDOA、到达角AOA、接收信号强度RSS四类。到达时间TOA定位技术通过测量声源到达节点间的绝对时间对目标位置进行估计，尽管TOA定位算法能够提供较准确的位置估计，但其要求准确的同步时钟，增大了系统的复杂度。AOA定位技术通过确定目标到节点的波达方向线从而确定声源的位置，该方法需要部署用于估计信号到达角度的阵列天线，增大了系统的成本。接收信号强度RSS定位技术通过测量节点接收声源信号的强度来估计目标的位置，然而测量到的功率值与真实值之间由于阻挡物的存在，简单地通过模型把测量到的接收功率换算为电磁传播路径，会使定位精度造成较大的误差。然而与其他方法相比，TDOA具有硬件要求少，定位精度高的优点，到达时间差TDOA不需要测量目标信号与节点间绝对时间，只需通过测量目标到达不同节点间的到达时间差实现定位。以上这些方法均是进行被动目标定位的常用方法，基于无线传感器网络的TDOA定位技术的关键在于高精度的时延估计。一种基于非线性最大似然进行到达时差估计，实现声源位置估计的方法，但此方法的计算复杂度较高。一种基于树的递归最大似然算法对声源进行定位，在两个麦克风距离较远情况下，通过时频间相位差进行时延估计，实现对多个声源个数和位置的确定，然而该方法仅考虑了静态声源的处理，对于运动的目标无法实时估计目标的位置以及实现目标跟踪，可通过一帧接一帧的处理及跟踪器实现运动目标的检测和定位。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的目标被动定位方法存在计算复杂度较高，对于运动的目标无法实时估计目标的位置以及实现目标跟踪。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法。

本发明是这样实现的，一种基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法，所述基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法在噪声背景下，利用声传感器阵列采集信号并通过互相关函数和短时傅里叶变换进行预处理得到频域信号；计算两路声信号的相对相位比并结合最大似然估计算法的原理获得所有可能的时延估计值的概率；在不依赖信号和噪声先验知识的条件下，将最大概率峰值所对应的时延值作为最终时延估计值。

进一步，所述基于相位差和最大似然估计的声信号时延估计方法包括以下步骤：

步骤一，在t时刻，将采集的信号和进行滑动相关，得到这两路信号间可能的时延区间[(1-N)/f_s,(N-1)/f_s]；

步骤二，时频域变换，将信号和应用短时傅里叶变换得到其频域表达和

步骤三，计算相对相位比，计算出t时刻每个频点两个信号间的相对相位比φ_m(t,k)；

步骤四，计算相对相位比集合，计算出每个可能时延d每个频点的相对相位比，并将其汇总构成相对相位比集合