專利名稱：聲源定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聲源定位方法，特別是機械聲源信號的定位方法，尤其涉及一種 基于小波包分解去噪與獨立分量分析的三維聲源定位方法。
背景技術：
波達方向(DOA)估計是陣列信號處理的一個主要研究內容。DOA估計是為了確定 信號的方位，從接收數據中測出信號方向。不管信號是有用信號還是干擾信號，在DOA估計 方向圖中都表現為峰值，而此峰值并不是實際陣列輸出功率。在聲學研究與應用中，陣列信 號處理技術得到廣泛的應用，特別是在聲源定位方面。聲信號的陣列處理，首先需要借助聲陣列獲取多通道聲信號。聲陣列通常由多個 傳聲器(或麥克風)按照一定的拓撲結構組成，典型的聲陣列包括線陣、方陣或圓陣等。可用于聲源定位的方法有多種，傳統(tǒng)的包括基于時延估計和波束形成的定位方 法、基于極大似然估計的定位方法以及近場聲源定位技術。這些傳統(tǒng)方法由于一些缺點和 局限性，已經被其他一些新的技術方法所取代。目前，應用較多較成熟的是基于多信號分類 (MUSIC)的聲源定位方法，此外還有Sawada-ICA法。MUSIC是一種高分辨率的DOA算法，它首先由陣列接收的M維傳感觀測信號χ (t) 出發(fā)，計算其相關矩陣如下R = x(t) ‘ x(t)H (1)式中(·)H為共軛轉置運算。然后，對所估計的相關矩陣R執(zhí)行特征值分解，即
R二 VAVH
ν
M
v=K .
A = diag[\ ■■■ Am]
⑵ 式中Vk為特征向量(M維列向量)，Xk為特征向量Vk所對應的特征值(按從大到 小順序排列，即A1^...彡λΜ·)。由此，可以構造如下的特征方程式 υφ) = X^Jyfm
(3)此方程的N個根即對應源信號方向θρ...，9,的估計。MUSIC方法的不足之處在于波達方向估計時要求一個傳感器陣列中的傳感器數目必須大于源數目。此外，估 計結果易受外來干擾噪聲的影響，在強噪聲干擾環(huán)境下甚至可能導致錯誤的估計結果。更新的方法是由日本人Sawada提出的基于獨立分量分析(ICA)的DOA估計方 法-Sawada-ICA法。Sawada-ICA法假設聲信號的混合為線性卷積混疊，即
x(0 = A(0*s(0 + n(0
N
或 χ奶人t_^+η々)
7=1
式中i = 1，· · ·，M，j = 1，· · ·，N。x(t) = {xi(t),x2(t),...，xM(t)}為已知的 M 維多通道混合聲觀測向量;A= {AU(Z)}為一個未知的MXN線性濾波器矩陣；s (t)為N維 未知的源向量且有s(t) = {Sl(t)，S2(t)，...，SN(t)}。huGO為從第j個源到第i個傳感 器的脈沖響應函數，k為時間延遲變量。模型中假設無外加噪聲成分。由于信號混合模型中假設無外加噪聲，因此其信號采集必須在消聲室或半消聲室 中進行，以避免噪聲干擾。N個聲源信號混合并被一個由M個傳聲器(或麥克風)所組成的 一維線陣采集，經過模-數(A/D)轉換后形成數字信號。Sawada-ICA法在時-頻域進行，首 先對數字混合聲觀測信號進行短時傅立葉變換(STFT)，獲得如下的時-頻域混合觀測
N
權利要求
一種聲源定位方法，其特征在于，包括步驟a、根據實際應用環(huán)境，建立聲源信號的混疊模型，所述混疊模型中包含有背景噪聲成分；b、采用三維聲測量陣列采集被測聲源在X、Y、Z三個方向的混合聲信號，并完成混合聲信號的模數轉化；c、對步驟b中采集到的混合聲信號，進行消噪處理，獲得干凈的觀測信號；d、對步驟c中獲得的觀測信號，進行信號處理，估計出被測聲源的分離矩陣；e、由步驟d中的分離矩陣出發(fā)，利用矩陣求逆運算估計聲源混合系統(tǒng)——頻響矩陣；f、采用基于峰值檢測的整體波達方向估計策略，一次性地獲得對所有聲源信號波達方向的準確估計；g、利用空間幾何的相關知識，進行空間角度計算，最終實現聲源信號的空間定位。
2.根據權利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟a中的混疊模型 包括瞬時混疊模型和卷積混疊模型。
3.根據權利要求2所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述瞬時混疊模型的一種 線性瞬時混疊模型為χ(0 =sin ⑷)// ...sin( )//QjlTtdM sin⑷)// ... Qjlndu sin( )//a eM ... A ei<PNΛ\\ CΛΙΝ CA... Λ ^lffΛ\Ν CjlNN Cs(0 + n(0其中1為信號的波長，d, = AiI為傳感器的空間物理位置，S(t)為聲源信號，η(t)為 加性噪聲。
4.根據權利要求2所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述卷積混疊模型的公式為x(0 = A(0*s(0 + n(0,N或 a(O=ΣΣΛ-幻+η·⑴-Mx(t) = {xi(t)，x2(t)，···，xM(t)}為已知的M維多通道混合聲觀測向量；A= (Aij(Z)I 為一個未知的MXN線性濾波器矩陣；s(t)為N維未知的源向量且有s(t) = {Sl(t)， s2(t)，...，sN(t)}。huGO為從第j個源到第i個傳感器的脈沖響應函數，k為時間延遲變量。
5.根據權利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟b中三維聲測量 陣列為三維傳聲器陣列，所述傳聲器按X、Y、Z方向安裝在測量架上，每個方向由2個以上的 傳聲器間隔排列組成。
6.根據權利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟c采用小波變換 技術，消除噪聲。
7.根據權利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟c采用小波分解 技術，消除噪聲。
8.根據權利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟d，當獲得的觀測 信號適合瞬時混疊模型時，采用瞬時獨立分量算法估計分離矩陣；當獲得的觀測信號適合聲源卷積模型時，先進行時_頻變換，然后采用瞬時獨立分量算法估計分離矩陣。
9.根據權利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟f中基于峰值檢 測的整體波達方向估計策略，包括如下步驟fl、將步驟e中獲得頻響矩陣擴展，其表達式為
全文摘要
一種聲源定位方法，包括建立聲源信號的混疊模型、采用三維聲測量陣列采集被測聲源在X、Y、Z三個方向的混合聲信號、消噪處理獲得干凈的觀測信號、估計出被測聲源的分離矩陣、獲得頻響矩陣、采用基于峰值檢測的整體波達方向估計策略，一次性地獲得對所有聲源信號波達方向的準確估計及利用空間幾何的相關知識，進行空間角度計算，最終實現聲源信號的空間定位等步驟?？朔爽F有聲源定位方法無法有效實現多個混疊聲源的三維空間定位，存在定位方法使用不靈活、估計結果不穩(wěn)定且精度較低、實用性不夠好等問題。
文檔編號G01S3/802GK101957443SQ20101020477
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權日2010年6月22日
發(fā)明者焦衛(wèi)東 申請人:嘉興學院