專利名稱：一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于球麥克風(fēng)陣列的三維空間多聲源定位方法，可廣泛用于語音信號處理等領(lǐng)域。具體是基于空間方位譜估計(jì)原理，結(jié)合降維子空間，將球諧域陣列接收信號模型進(jìn)行協(xié)方差運(yùn)算，劃分相互正交的子空間，提取噪聲子空間特征向量，構(gòu)造出“針狀”空間譜峰，最終通過譜峰搜索得到聲源的位置。與傳統(tǒng)的聲源定位方法相比，本方法充分利用了空間方位譜估計(jì)的高分辨率特性和降維子空間運(yùn)算量低的特點(diǎn)，達(dá)到快速、精確的聲源定位效果。
背景技術(shù)：
聲源定位技術(shù)，即確定同時(shí)處在空間某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)感興趣的信號的空間位置，是陣列信號處理的重要技術(shù)之一。利用麥克風(fēng)陣列對聲源信號的方位估計(jì)是聲源定位的基本方法，它是將一組麥克風(fēng)傳感器按一定方式布置在空間不同位置上，形成麥克風(fēng)陣列；用麥克風(fēng)陣列來接收空間聲源信號，再對陣列接收的信號進(jìn)行處理，提取有用的信號特征，再通過一定的算法求解最終得到信號源的方位信息。球麥克風(fēng)陣列與傳統(tǒng)的一維直線麥克風(fēng)陣列、二維平面麥克風(fēng)陣列等幾何陣列相比，具有的優(yōu)點(diǎn)是三維空間的旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)、高空間分辨率、空間任意方向的波束形成及球傅里葉正交分解框架等，能夠?qū)β晥鲞M(jìn)行更加充分地采樣，因此在三維空間的多聲源定位方面更具有優(yōu)勢。目前針對球麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法主要是基于時(shí)域上的可控波束形成，或者是基于球諧域上的平面波分解。前者是對球麥克風(fēng)陣列所采集到的聲源信號濾波加權(quán)求和來形成波束，然后通過搜索聲源可能的位置來引導(dǎo)波束，得到使波束有最大輸出功率的為聲源的方位?；诳煽夭ㄊ纬傻那螓溈孙L(fēng)陣列聲源定位方法的缺點(diǎn)是需要進(jìn)行全局搜索，運(yùn)算量極大，故很難實(shí)現(xiàn)；基于平面波分解的球麥克風(fēng)陣列聲源定位方法是首先，把聲場進(jìn)行球諧分解變換到球諧域中，獲取直射聲場的聲壓，然后，根據(jù)在聲源直射方向會(huì)出現(xiàn)入射平面波幅值的峰值點(diǎn)的原理，在球面空間中搜索入射平面波幅值的極大值，極大值對應(yīng)的球面位置坐標(biāo)為聲源的方位。此方法的缺點(diǎn)是對聲源較多時(shí)的定位效果差，而且聲源定位的精度主要受所使用的球麥克風(fēng)陣列階數(shù)大小的影響，增加麥克風(fēng)的數(shù)目，雖然可以提高陣列的階數(shù)，但是同時(shí)增加了信號采集的路數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度的增加。還有一種時(shí)延估計(jì)也是一種有效的聲源定位技術(shù)，但是其受噪聲干擾較大，且球麥克風(fēng)陣列的陣元間距小，致使現(xiàn)實(shí)中也很難獲得精確的時(shí)延，不具有實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法，該方法能克服傳統(tǒng)方法計(jì)算量大、定位精度不高的不足，顯著降低運(yùn)算量，準(zhǔn)確估計(jì)聲源方位。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是首先將球麥克風(fēng)陣列采集高階聲場進(jìn)行球諧函數(shù)分解，建立球諧域陣列接收的含噪聲源信號模型；然后表達(dá)陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣；接著，根據(jù)子空間分解方法將協(xié)方差矩陣進(jìn)行劃分，得到兩個(gè)相互正交的信號子空間和噪聲子空間；再利用上述信號子空間和噪聲子空間的正交性，定義信號子空間的導(dǎo)向矢量，提取出噪聲子空間的一個(gè)特征向量，構(gòu)造空間方位譜；最后，搜索方位譜函數(shù)的譜峰位置，確定聲源的空間方位。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法主要包括以下幾個(gè)步驟 (1)、建立球坐標(biāo)系，描述球麥克風(fēng)陣列上每個(gè)陣元的位置，設(shè)置球麥克風(fēng)陣列采集高階聲場聲壓的球諧函數(shù)；
(2)、建立球諧域陣列接收含噪聲源信號模型；
(3)、利用信號的二階統(tǒng)計(jì)特性，將建立的球諧域信號模型進(jìn)行協(xié)方差運(yùn)算，得出球麥克風(fēng)陣列接收信號的協(xié)方差矩陣；
(4)、對步驟(3)中得到的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，分別得到信號子空間U噪聲子空間Ujf ；
(5)、利用噪聲子空間和信號子空間的正交性，定義信號子空間Us的導(dǎo)向矢量
，構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)空間方位譜從步驟(4)中所得到的噪聲子空間中提取出一個(gè)噪聲子空間特征向量，構(gòu)造空間方位譜;
(6)、搜索方位譜A的譜峰位置，提取出峰值對應(yīng)的搜索值，確定聲源方位的估計(jì)值。本發(fā)明的一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)該方法利用球麥克風(fēng)陣列三維空間旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，對聲場進(jìn)行充分的采樣，采用高分辨率譜估計(jì)和降維子的噪聲空間，在不增加運(yùn)算量的同時(shí)，準(zhǔn)確地估計(jì)聲源方位，能廣泛用于語音信號處理等領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法的流程 圖2為本發(fā)明的球麥克風(fēng)陣列采集空間聲場的球坐標(biāo)系示意 圖3為本發(fā)明的譜峰搜索方法的空間方位譜 圖4為本發(fā)明的譜峰搜索方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下作進(jìn)一步的詳細(xì)描述
本方法的流程參見圖1，本發(fā)明的一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法，利用球麥克風(fēng)陣列采集空間聲場，結(jié)合空間譜估計(jì)技術(shù)和降維的噪聲子空間進(jìn)行多聲源定位，其具體實(shí)施步驟如下
(I)、建立球坐標(biāo)系，描述球麥克風(fēng)陣列上每個(gè)陣元的位置，設(shè)置球麥克風(fēng)陣列采集高階聲場聲壓的球諧函數(shù)，其具體如下
建立球坐標(biāo)系，如圖2所示，圖中，i點(diǎn)代表分布在半徑為Λ的球麥克風(fēng)陣列上的相互獨(dú)立、各向同性的陣元，陣元的總數(shù)為I;坐標(biāo)系原點(diǎn)O選取為球麥克風(fēng)陣列的球心，位于球面■■占處的陣元采用它的俯仰角和方位角Q = (AC)表示。當(dāng)球麥克風(fēng)陣列采集聲場時(shí)，麥克風(fēng)記錄的是聲場的聲壓信息，波數(shù)為史，k= 2π Λ , A為波長，從A =(先與)方向入射到球陣列的單位幅度的遠(yuǎn)場聲源信號，信源的俯仰角馮是信源入射方向和ζ軸的夾角，4 €
其中，空間俯仰角沒和方位角P掃描整個(gè)空間方位，其變化范圍分別為
、
,ァ軸是捜索角度^的值，范圍是
，ミ軸代表譜值，譜峰所在很小的范圍內(nèi)，在這些小范圍內(nèi)進(jìn)行小步進(jìn)捜索，得到空間方位譜的譜峰位置，確定聲源的空間方位，空間方位譜的譜峰捜索的過程如下 (6-1)、在；r軸上O ~ 360°范圍內(nèi)，等間距選擇G個(gè)值禮…，％,ヌ軸上0~180。范圍內(nèi)，等間距選擇G個(gè)值晃ハ>%, , I為聲源個(gè)數(shù)，帶入具妁計(jì)算對應(yīng)的譜值pu(Am\-,進(jìn)而確定門限值其表達(dá)式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于球麥克風(fēng)陣列的多聲源定位方法首先將球麥克風(fēng)陣列采集高階聲場進(jìn)行球諧函數(shù)分解，建立球諧域陣列接收的含噪聲源信號模型；然后表達(dá)陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣；接著，根據(jù)子空間分解方法將協(xié)方差矩陣進(jìn)行劃分，得到兩個(gè)相互正交的信號子空間和噪聲子空間；再利用上述信號子空間和噪聲子空間的正交性，定義信號子空間的導(dǎo)向矢量并提取出噪聲子空間的一個(gè)特征向量，構(gòu)造空間方位譜；最后，搜索方位譜函數(shù)的譜峰位置，確定聲源的空間方位。該方法利用球麥克風(fēng)陣列三維空間旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，對聲場進(jìn)行充分的采樣，結(jié)合高分辨率的譜估計(jì)和降維的噪聲子空間，顯著降低運(yùn)算量，準(zhǔn)確地估計(jì)聲源方位，能廣泛用于語音信號處理等領(lǐng)域。
文檔編號G01S5/20GK102866385SQ201210331009
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者宋濤, 黃青華, 彭昌友, 許廣宏 申請人:上海大學(xué)