[发明专利]一种声源定位方法

摘要

一种声源定位方法属于声源定位技术领域。包括以下步骤：建立均匀圆阵麦克风阵列，并以此构建空间坐标系确定各麦克风的坐标，获取麦克风采集的声源信号；根据各麦克风提供的声源信号，利用广义互相关估计出声源信号到达各麦克风之间的时间差；由参考阵元与所得的时间差共同构建各麦克风接收信号所对应的矢量形式，最后通过计算谱函数确定DOA估计值。本发明的方法及系统，克服了声源信号间的相互干扰，提高了定位精度，而且本发明有较高的抗混响性，能在强混响情况下准确估计出声源的位置。

主权项

1.一种声源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)麦克风阵列设计：在声源定位空间坐标系中，将M个完全相同的麦克风均匀分布在平面X-Y上一个半径为r的圆周上，在圆心处加上一个阵元，并以此阵元作为参考阵元，建立均匀圆形麦克风阵列模型；/n(2)改进声源定位算法，实现步骤如下：/n步骤1：假设麦克风接收的信号的表达式如式(1)和式(2)：/nx₁(n)＝a₁S(n-τ₁)+w₁(n) (1)/nx₂(n)＝a₂S(n-τ₂)+w₂(n) (2)/n式(1)中：a₁、a₂为声波从声源到麦克风之间的传播衰减系数，它们的取值范围为0～1；S(n)表示声源信号；S(...)表示在理想状态下，麦克风接收的声源信号；τ₁、τ₂分别代表声源与麦克风1即参考阵元和麦克风2即圆周上任意一个麦克风之间的传播时间；w₁(n)、w₂(n)分别代表麦克风1和2接收信号中的高斯白噪声，且声源信号S(n)与噪声信号w₁(n)、w₂(n)两者之间是互不相关的；/n步骤2：使用FIR滤波器对接收的声源信号进行滤波处理，则求得的互相关函数如下：/nR₁₂(τ)＝E{x₁(n)x₂(n-τ)} (3)/n将式(1)和(2)代入(3)求得：/nR₁₂(τ)＝a₁a₂E{S(n-τ₁)S(n-τ₂-τ)}+a₁E{S(n-τ₁)w₂(n-τ)}+a₂E{S(n-τ₂-τ)w₁(n)}+E{ω₁(n)w₂(n-τ)}(4)/nw₁(n)、w₂(n)是互不相关的噪声信号，且S(n)与w₁(n)、w₂(n)也互不相关，因此将式(4)化简如下：/nR₁₂(τ)＝a₁a₂E{S(n-τ₁)S(n-τ₂-τ)}＝a₁a₂R_s(τ-(τ₁-τ₂)) (5)/n式(3)-(5)中：τ表示麦克风1与麦克风2之间的时间差，即时迟；x₂(n-τ)表示麦克风2相对于麦克风1接收的信号；E{...}表示期望值；R_s表示理想状态下，麦克风接收信号的的互相关函数；/n对滤波之后的信号进行加权处理来制止噪声信号以及混响的不利因素的影响；对x₁(n)和x₂(n)进行FFT变换得X₁(ω)和X₂(ω)，则两路输入信号的广义互相关函数为R₁₂(τ)表示为：/n /n式(6)中ψ₁₂(ω)是广义互相关加权函数；为麦克风2接收的声源信号的FFT变换的共轭；ω为声源信号的载频；e的上标j表示虚数单位；/n步骤4：选择加权函数确定所采用的延时算法，本方法选择PHAT方法；/n步骤5：麦克风接收的模拟信号经过高速信号采集板转换成数字信号，参考阵元接收信号模型为：x₀(n)，其余各阵元接收信号模型为：x₁(n)、x₂(n)...x_M(n)；/n求出各阵元与参考阵元的时迟值分别为：τ₁、τ₂...τ_M，则麦克风阵列在空间中一个声源的方向矩阵为：/n /n式(7)中：T为矩阵转置操作；/n步骤6：求出接收信号的矢量形式，利用空间信号源频率为f，则式(7)化简为：/n /n则麦克风阵列接收信号的矢量形式为：/nX(t)＝A(f,τ)x₀(n) (9)/n步骤7：其协方差矩阵估计值为：/nR＝X(n)X^H(n)/N (10)/n式(9)中：N表示总的采集数据个数，X^H(n)表示X(n)的共轭转置；/n步骤8：对协方差矩阵进行特征值分解，且协方差矩阵有M个不同的特征值，并将特征值进行升序排列：/nλ1≥λ2≥…≥λM (11)/n步骤9：与声源信号个数K相等的最大特征值对应的特征矢量所构成的空间看作为信号子空间，把剩下的M-K个特征值对应的特征矢量所构成的空间看作噪声子空间；/n /n式(12)中：U_S表示信号子空间，U_N表示噪声子空间，表示U_S、U_N的共轭转置，Σ_S为K个较大特征值构成的对角矩阵，而Σ_N为M-K个较小特征值构成的对角矩阵；/n步骤10：扫描θ(0°≤θ≤90°)和求得谱函数值：/n /n式(13)中是声源在空间坐标系中位置为的阵列响应：/n /n式(14)中m＝0,1,…M-1，r为半径，λ为声源信号的波长；/n步骤11：根据式(14)求得谱峰值：/nPmax＝max(P_MUSIC) (15)/n步骤12：求得峰值P_max所对应的θ和值，θ和值即为声源的在空间坐标系中的俯仰角θ和方位角/n