[发明专利]一种分布式麦克风阵列中麦克风位置估计系统

摘要

本发明公开了一种分布式麦克风阵列中麦克风位置估计系统，包括声源信号产生模块、扬声器、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风位置估计模块；声源信号产生模块输出端输出信号经扬声器转换为声音在分布式麦克风阵列的工作场地中播放；该声音被参考麦克风和待定位麦克风所接收；参考麦克风和待定位麦克风接收的信号同时传递至与待定位麦克风对应的麦克风位置估计模块。本发明用三个不同频带的信号作为三个声源的发声信号，在麦克风位置估计过程中一次性采集并分离出三个声源，能实现麦克风位置的在线估计。本发明将基于能量和时延的测距方法结合使用，先后进行距离的粗略、精细估计，保证了位置估计具有较小的计算量和较高的精度。

主权项

1.一种分布式麦克风阵列中麦克风位置估计系统，其特征在于：包括声源信号产生模块（1）、扬声器、参考麦克风（2）、多个待定位麦克风（4）以及多个麦克风位置估计模块（3）；所述的声源信号产生模块（1）输出端输出信号经扬声器转换为声音在分布式麦克风阵列的工作场地中播放；该声音被参考麦克风（2）和待定位麦克风（4）所接收；参考麦克风（2）和待定位麦克风（4）接收的信号同时传递至与待定位麦克风（4）对应的麦克风位置估计模块（3）；所述的麦克风位置估计模块（3）的输出端输出待定位麦克风（4）的坐标；所述的待定位麦克风（4）与麦克风位置估计模块（3）一一对应；所述的声源信号产生模块（1）的工作方法包括以下步骤：所述的声源信号产生模块（1）包括白噪声发生器和带通滤波器，白噪声发生器产生白噪声信号，所述的白噪声信号通过三个通带不同的带通滤波器，产生三个不同频带的带通信号，作为三个声源的发声信号，分别输入置于分布式麦克风阵列工作场地中3个扬声器；设三个带通滤波器的单位脉冲响应分别为h_j(n)，j=1、2、3，分别对白噪声发生器产生的白噪声信号x(n)进行滤波，得到三个不同频带的带通信号s_j(n)，j=1、2、3，s_j(n)＝x(n)*h_j(n)，j=1、2、3其中，符号“*”表示数字信号处理领域中的卷积运算；n表示信号x、单位脉冲响应h₁、h₂、h₃的各采样值的序号;所述的麦克风位置估计模块（3）数量与待定位麦克风（4）的数量相同，每个麦克风位置估计模块（3）的工作方式方法完全相同；第i个麦克风位置估计模块（3）对应于第i个待定位麦克风（4），该模块包括信号有效性检测子模块、参考麦克风（2）声源信号分离子模块、参考麦克风（2）子频带背景噪声估计子模块、待定位麦克风（4）声源信号分离子模块、待定位麦克风（4）子频带背景噪声估计子模块、距离粗估计子模块、距离精估计子模块和三角形质心计算子模块；所述的信号有效性检测子模块检测输入信号是否有效，并计算参考麦克风（2）接收到的信号s_r(n)每帧的短时能量E_rEr=Σn=startstart+M-1sr2(n)]]>其中，M表示帧长，start表示当前帧在原始接收信号序列s_r(n)中的起始位置；比较E_r与信号/噪声判定阈值E_thr，若E_r<E_thr，判定当前帧为噪声帧，否则，判定当前帧为信号帧；当判定当前帧为噪声帧时，估计背景噪声能量E_min，更新有效性判定阈值E_thr；该阈值更新方法为if E_min＜E_rE_min＝E_rE_thr＝aE_minend if其中，a为一个常数，a的取值范围是1<a<100；所述的参考麦克风（2）声源信号分离子模块利用与声源信号产生模块（1）中系数相同的三个带通滤波器将三个声源信号分离；这三个带通滤波器的单位脉冲响应也为h_j(n)，j=1、2、3，对参考麦克风（2）接收信号s_r(n)分别进行滤波，得到三个不同频带的信号s_rj(n)，j=1、2、3，即s_rj(n)=s_r(n)*h_j(n)，j=1、2、3当判定当前帧为噪声帧时，所述的参考麦克风（2）子频带背景噪声估计子模块分别估计三个子频带的能量E_rj，j=1、2、3，Erj=Σn=startstart+M-1srj2(n),]]>j=1、2、3将E_rj，j=1、2、3，与前一次参考麦克风（2）子频带背景噪声能量估计结果ε_rj，old进行平滑，平滑结果作为当前的背景噪声能量估计值ε_rj，curr，ε_rj，curr＝(1-b)·ε_rj，old+b·E_rj，j＝1、2、3其中，b为平滑因子，表示当前能量E_rj，j=1、2、3，在平滑时所占比重，b的取值范围是0<b<1；所述的待定位麦克风（4）声源信号分离子模块利用与声源信号产生模块（1）中系数相同的三个带通滤波器将三个声源信号分离；这三个带通滤波器的单位脉冲响应也为h_j(n)，j=1、2、3，对待定位麦克风（4）接收信号s_i(n)分别进行滤波，得到三个不同频带的信号，即s_ij(n)=s_i(n)*h_j(n)，j=1、2、3当判定当前帧为噪声帧时，所述的待定位麦克风（4）子频带背景噪声估计子模块分别估计三个子频带的能量E_ij，j=1、2、3，Eij=Σn=startstart+M-1sij2(n),]]>j=1、2、3再将E_ij，j=1、2、3，与前一次待定位麦克风（4）子频带背景噪声能量估计结果ε_ij，old进行平滑，平滑结果作为当前的背景噪声能量估计值ε_ij，curr，εi_j，curr＝(1-b)·ε_ij，old+b·E_ij，j＝1、2、3其中，b为平滑因子，表示当前能量E_ij，j=1、2、3，在平滑时所占比重，b的取值范围是0<b<1；所述的距离粗估计子模块工作过程如下：定义角标r表示参考麦克风（2），角标i表示第i个待定位麦克风（4），角标j表示第j个声源(即第j个扬声器，j=1、2、3)，d_ij表示第j个声源与第i个待定位麦克风（4）之间的欧式距离，(x_r,y_r)和(x_j,y_j)分别表示参考麦克风（2）和第j个声源的坐标，d_rj表示第j个声源与参考麦克风（2）之间的欧式距离在麦克风增益已校准（即相同声强下的麦克风输出信号能量相同）的情况下，当判定当前帧为信号帧时，则第i个当前待定位麦克风（4）到第j个声源的距离粗估计为d~ij=drj·Erj(t)-ϵrj(t)Eij(t)-ϵij(t),]]>j=1、2、3为提高后续距离精估计的准确度，将当前距离粗估计结果j=1、2、3，与前一次的平滑结果d_ij，old进行平滑，得到当前距离粗估计平滑结果d_ij，currdij,curr=(1-β)·dij,old+β·d~ij,]]>j=1、2、3其中，β为平滑因子，表示当前距离粗估计结果在平滑过程中所占比重，β的取值范围是0<β<1；所述的距离精估计子模块工作过程如下：定义α_rj和α_ij分别为声音从第j个声源传播到参考麦克风（2）与第i个待定位麦克风（4）的衰减因子，τ_rj和τ_ij分别为声音从声源j传播到参考麦克风（2）与第i个待定位麦克风（4）的延迟时间，v_r(n)和v_i(n)分别为参考麦克风（2）与第i个待定位麦克风（4）处的背景噪声，当判定当前帧为信号帧时，参考麦克风（2）与第i个待定位麦克风（4）接收到的来自于同一个声源s_i的信号分别为srj(n)=αrjsj(n-τrj)+vr(n)sij(n)=αijsj(n-τij)+vi(n),]]>j=1、2、3通常，背景噪声是均值为零的平稳噪声，与信号互不相关，不同麦克风处背景噪声也互不相关，则s_rj(n)和s_ij(n)的互相关函数R_rij(τ)表示为j=1、2、3距离精估计采用基于时延的测距方法，用较简单的互相关法估计信号的延迟时间；对每一个可能的τ计算R_rij(τ)，搜索到最大值位置，得到信号到达第i个待定位麦克风（4）相对于参考麦克风（2）的延迟时间τ_rij，即τrij=τrj-τij=argmaxτRrij(τ),]]>j=1、2、3由于距离粗估计模块已经估计出待定位麦克风（4）到各个声源之间的粗略距离d_ij，curr，此时只需在粗距离附近一定范围内搜索麦克风的精细距离；定义声速为c，粗略距离d_ij，curr对应的粗时延为t_j，curr=d_ij，curr/c，在d_ij，curr附近Δd_ij，curr范围内搜索精细距离，将距离信息转换为对应的时间信息Δt_j，curr=Δd_ij，curr/c，则精细时延的搜索范围为[t_j，curr-Δt_j，curr,t_j，curr+Δt_j，curr]；将信号到达时间差乘以声速c，得到信号到达两个麦克风的距离差d_rij＝(τ_ij-τ_rj)·c＝-τ_rij·c，j＝1、2、3根据参考麦克风（2）到第j个声源的距离d_rj，以及第j个声源到参考麦克风（2）与第i个待定位麦克风（4）的距离差d_rij，获得待定位麦克风（4）到第j个声源的精细距离d_ijd_ij＝d_rj+d_rij＝d_rj-τ_rij·c所述的三角形质心计算子模块的工作过程如下：定义(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)和(x_s3,y_s3)分别为三个声源坐标，d_i1、d_i2、d_i3分别为第i个待定位麦克风（4）到三个声源的精细距离；当判定当前帧为信号帧时，在得到上述第i个待定位麦克风（4）到第j个声源的精细距离d_ij之后，j=1、2、3，根据几何关系，通过求解以声源位置为圆心、距离为半径的三个圆的交点，来确定第i个待定位麦克风所在位置，即(x-xs1)2+(y-ys1)2=di12(x-xs2)2+(y-ys2)2=di22(x-xs3)2+(y-ys3)2=di32]]>只有在理想情况下，三个圆才能相交于一点m，坐标为(x_m,y_m)；而在一般情况下，由于计算误差的存在，此方程组无解，无解分为两种情况：第一种是三个圆不能交于一点，而是相交出一个区域；第二种是其中有至少两个圆没有交点；对于第一种无解情况，选择相距最近的三个交点p₁(x_p1,y_p1)、p₂(x_p2,y_p2)和p₃(x_p3,y_p3)组成三角形，求取该三角形质心m，坐标为(x_m,y_m)，作为声源位置，即(xm,ym)=13Σi=13(xni,yni)]]>对于第二种无解情况，考虑到在估计麦克风位置时，各待定位麦克风（4）和校正声源位置均是固定的，则使用前一帧计算得的该两个圆交点来充当本帧交点。