[发明专利]一种基于差分麦克风阵列的三维声源定位方法

说明书

本发明涉及声源定位技术领域，提供一种基于差分麦克风阵列的三维声源定位方法。首先，利用最小角定理重构差分麦克风阵列导向矢量，并利用重构后的差分麦克风阵列导向矢量改进传统的二维Capon算法，将改进后的二维Capon算法命名为2D‑DMACapon；然后，借助两个L型差分麦克风子阵列，利用2D‑DMACapon算法获得两组空间中声源的方位角与俯仰角；最后根据获得的两组空间中声源的方位角与俯仰角，求解得到空间中的声源位置坐标。本发明能够同时估计得到声源信号的方位角与俯仰角，并且能够估计得到空间中声源位置的准确三维坐标，提高了三维声源定位的效率和精度，且计算简单、便于实现。

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，特别是涉及一种基于差分麦克风阵列的三维声源定位方法。

背景技术

声源定位主要是利用信号处理技术，通过对麦克风阵列接收到的声音信号进行处理，获得与声源位置有关的信息。获得声源准确的位置信息，对于指导实际的生产实践有着重要的意义。在很多实际应用中，由于受到安装平台限制或系统设计要求，往往只能采用小尺寸麦克风阵列。目前，基于差分麦克风阵列的声源方位估计技术主要有声强估计法(如文献He S,Chen H.Closed-Form DOA Estimation Using First-Order DifferentialMicrophone Arrays via JointTemporal-Spectral-Spatial Processing[J].IEEESensors Journal,2017,17(04):1046-1060；何赛娟.基于差分麦克风阵列的声源定位方法研究[D],南京：南京航空航天大学，2016)和期望最大化法(如文献Shaowei D,HuaweiC.Alocalization approach for multiple sound sources via an expectationmaximization algorithm using differential microphone arrays[J].ChineseJournal of Acoustics,2017(04):72-90；丁少为.差分麦克风阵列多声源方位估计方法研究[D],南京：南京航空航天大学，2017)。虽然上述方案能够实现差分麦克风阵列的DOA估计，但是，仅能估计声源信号的方位角，不能同时估计得到声源信号的方位角与俯仰角，并且不能估计得到空间中声源的准确位置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于差分麦克风阵列的三维声源定位方法，能够同时估计得到声源信号的方位角与俯仰角，并且能够估计得到空间中声源位置的准确三维坐标，提高了三维声源定位的效率和精度，且计算简单、便于实现。

本发明的技术方案为：

一种基于差分麦克风阵列的三维声源定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：利用最小角定理重构差分麦克风阵列导向矢量，并利用重构后的差分麦克风阵列导向矢量改进传统的二维Capon算法，将改进后的二维Capon算法命名为2D-DMACapon；

步骤2：借助两个L型差分麦克风子阵列，利用2D-DMACapon算法获得两组空间中声源的方位角与俯仰角；

步骤3：根据获得的两组空间中声源的方位角与俯仰角，求解得到空间中的声源位置坐标。

进一步地，所述步骤1包括下述步骤：

步骤1.1：利用最小角定理将三维空间中声源信号的方位角φ、俯仰角θ分别转化为声源信号与x轴的夹角α、与y轴的夹角β：

cosα＝cosφsinθ (1)

cosβ＝sinφsinθ

步骤1.2：基于公式(1)，对二维DOA估计中L型差分麦克风阵列导向矢量进行降维，得到降维后的x轴导向矢量d′_x、y轴导向矢量d′_y分别为：