一種三維空間聲源定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種改進(jìn)的三維空間聲源定位方法，屬于聲源定位【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括：建立雙L型麥克風(fēng)陣列；在歸一化頻域最小均方方法基礎(chǔ)上，通過引入懲罰函數(shù)對頻譜能量進(jìn)行修正，從而自適應(yīng)地估計(jì)出不同陣元的沖激響應(yīng)并計(jì)算時(shí)延差；利用得到的時(shí)延差與雙L型麥克風(fēng)位置的關(guān)系，來確定通過聲源的位置坐標(biāo)。較傳統(tǒng)的定位方法而言，本發(fā)明陣列結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算量少，有效地提高了抗噪聲性能、抗混響能力及定位精度，更加適合用于室內(nèi)三維聲源定位，可廣泛應(yīng)用于車載免提電話、視頻會議系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)以及智能機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域。
【專利說明】一種三維空間聲源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲源定位【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種利用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源三維定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位是聲學(xué)信號處理領(lǐng)域中的一個(gè)重要問題，相較于傳統(tǒng)的陣列信號處理，陣列麥克風(fēng)處理的語音信號沒有載波，能夠處理的信號范圍廣，適應(yīng)能力強(qiáng)，在車載免提電話、視頻會議系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)以及智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用?；邴溈孙L(fēng)陣列的聲源定位主要有基于可控波束形成的定位方法、基于到達(dá)時(shí)延差的定位方法和基于高分辨率的定位方法。其中，基于可控波束形成的定位方法對麥克風(fēng)陣列接收到的語音信號進(jìn)行濾波、加權(quán)求和，然后直接控制麥克風(fēng)指向使波束有最大輸出功率的方向，因其計(jì)算復(fù)雜度高不可能被用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)；基于高分辨率的定位方法利用求解麥克信號間的相關(guān)矩陣來定出方向角，從而進(jìn)一步定出聲源位置，雖然成功地應(yīng)用于一些陣列信號的處理，但在實(shí)際應(yīng)用中定位效果不佳，不僅受到陣列結(jié)構(gòu)限制而且在信號不平穩(wěn)時(shí)計(jì)算量會成倍增加；而其中，基于到達(dá)時(shí)延差的聲源定位方法是通過估計(jì)聲源到麥克風(fēng)之間的時(shí)延差并根據(jù)麥克風(fēng)的位置來估計(jì)聲源位置，不受陣列結(jié)構(gòu)限制、計(jì)算量小。
[0003]基于到達(dá)時(shí)延差的聲源定位方法主要分兩部分完成:時(shí)延估計(jì)和定位。時(shí)延估計(jì)方法主要有廣義互相關(guān)方法(Generalized Cross Correlation, GCC)、最小均方誤差方法(Least Mean Square, LMS)和自適應(yīng)特征值分解方法(Adaptive EngenvalueDecomposition, AED)。其中，GCC方法在混響環(huán)境下性能會下降很多；LMS方法性能基本與它相當(dāng)；AED方法是通過估計(jì)雙信道沖激響應(yīng)來抑制混響，但它要求雙信道互質(zhì)，不含有公共零點(diǎn)。然而，在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中，沖激響應(yīng)長度一般很長，雙信道互質(zhì)的可能性很小，AED方法不再適用。為了提高互質(zhì)的可能性，Y (Arden) Huang等人將AED雙通道估計(jì)方法推廣到自適應(yīng)多通道估計(jì)方法(Adaptive Multichannel, AMC),提出利用歸一化多通道頻域最小均方方法(Normalized Multichannel Frequency-domain Least Mean Square, NMCFLMS)來估計(jì)各個(gè)陣元的沖激響應(yīng)。NMCFLMS方法的基本思想是，將觀測信號分成連續(xù)的塊信號，采用頻域歸一化最小均方方法進(jìn)行頻域信道估計(jì)，雖具有多通道頻域最小均方方法復(fù)雜度低和牛頓法收斂速度快的特點(diǎn)，但在信道加性噪聲存在時(shí)可能會發(fā)散，不能有效地進(jìn)行信道估計(jì)。
[0004]定位方法主要有最小二乘法和幾何定位法，前者計(jì)算復(fù)雜，且對初值敏感；后者利用麥克風(fēng)位置參數(shù)與時(shí)延估計(jì)值確定雙曲面的函數(shù)關(guān)系，多個(gè)雙曲面的交點(diǎn)即為確定聲源位置，計(jì)算簡單，但容易出現(xiàn)非唯一的閉合解，難以有效定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中聲源定位方法在信道加性噪聲存在時(shí)可能會發(fā)散，不能有效地進(jìn)行信道估計(jì)以及難以有效定位聲源的缺陷，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的三維空間聲源定位方法，利用修正歸一化多通道頻域最小均方方法(MNMCFLMS)及限定信道沖激響應(yīng)長度的方法進(jìn)行信道估計(jì)，有效提高了聲源定位的精度。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]一種三維空間聲源定位方法，包括如下步驟:
[0008]步驟A，在三維直角坐標(biāo)系中，建立兩個(gè)在同一平面上且相對設(shè)置的L型麥克風(fēng)陣列；
[0009]步驟B，采用修正的歸一化多通道頻域最小均方方法估計(jì)聲源信號到達(dá)各麥克風(fēng)的時(shí)延差，包括下述步驟:
[0010]步驟B-1，聲源信號s (η)經(jīng)第i個(gè)麥克風(fēng)的信道沖激響應(yīng)hi (η)后與信道加性噪聲￥?合并,得第i個(gè)麥克風(fēng)的接收信號Xi (n):Xi (η) = sT (n) Iii (n)+Vi (η)；
[0011]其中，T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作；η為時(shí)間序列，是整數(shù)；
[0012]當(dāng)不計(jì)信道加性噪聲時(shí)，第i個(gè)麥克風(fēng)的接收信號Xi(Ii)與第j個(gè)麥克風(fēng)的接收信號Xj(n)間的關(guān)系為:
[0013]-V； (H)Iij(H) 二 x] (")&(");
[0014]步驟B-2，用長度為2Lh的矩形窗函數(shù)w(n)對第i個(gè)麥克風(fēng)的接收信號Xi (η)進(jìn)行加窗處理，得到第i個(gè)麥克風(fēng)的第η幀接收信號為:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種三維空間聲源定位方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A，在三維直角坐標(biāo)系中，建立兩個(gè)在同一平面上且相對設(shè)置的L型麥克風(fēng)陣列；步驟B，采用修正的歸一化多通道頻域最小均方方法NMCFLMS估計(jì)聲源信號到達(dá)各麥克風(fēng)的時(shí)延差，包括下述步驟: 步驟B-1，聲源信號s(n)經(jīng)第i個(gè)麥克風(fēng)的信道沖激響應(yīng)Iii (η)后與信道加性噪聲Vi (η)合并，得第i個(gè)麥克風(fēng)的接收信號XiOO:Xi (n) = sT (n) Iii (n)+Vi (η)； 其中，T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作；η為時(shí)間序列，是整數(shù)； 當(dāng)不計(jì)信道加性噪聲時(shí)，第i個(gè)麥克風(fēng)的接收信號Xi (η)與第j個(gè)麥克風(fēng)的接收信號Xj (η)間的關(guān)系為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維空間聲源定位方法，其特征在于，所述Jp (η)為約束條件下的懲罰函數(shù)，約束條件為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維空間聲源定位方法，其特征在于，所述步驟B-2中信道沖激響應(yīng)的長度Lh限制條件為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維空間聲源定位方法，其特征在于，所述步驟A中兩個(gè)L型陣列布放規(guī)律如下:第一個(gè)麥克風(fēng)micl置于X軸上，其坐標(biāo)為(d，0，0);第二個(gè)麥克風(fēng)mic2與坐標(biāo)原點(diǎn)重疊，其坐標(biāo)為(0，0，0);第三個(gè)麥克風(fēng)mic3置于Y軸，其坐標(biāo)為(0，d，0)，d為兩個(gè)相鄰麥克風(fēng)之間距離，為實(shí)數(shù)，第一、二、三個(gè)麥克風(fēng)構(gòu)成了第一個(gè)L型麥克風(fēng)陣列；同時(shí)，以X = D/2為對稱軸，建立與第一個(gè)L型麥克風(fēng)陣列相對的第二個(gè)L型麥克風(fēng)陣列，其中，第四個(gè)麥克風(fēng)mic4的坐標(biāo)為(0，0，0)，第五個(gè)麥克風(fēng)!11化5的坐標(biāo)為(D_d，0，O)，第六個(gè)麥克風(fēng)mic6的坐標(biāo)為(D，d, O) ；D為兩個(gè)相對的L型麥克風(fēng)陣列間的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的三維空間聲源定位方法，其特征在于，所述步驟C中，確定聲源位置的步驟如下: 步驟C-1，位置為(x，y，z)的聲源信號到達(dá)第i個(gè)麥克風(fēng)和第j個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)延差r與第i個(gè)麥克風(fēng)和第j個(gè)麥克風(fēng)間距離du的關(guān)系為4 ，詳細(xì)關(guān)系有如下兩組:
【文檔編號】G01S5/20GK103995252SQ201410202062
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】郭業(yè)才, 朱賽男, 張寧, 黃友銳 申請人:南京信息工程大學(xué)