基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法及系統(tǒng)：將待測(cè)封閉空間劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格的中心S1,S2,…Sn作為采樣位置，測(cè)量得到兩個(gè)傳聲器Ra,Rb位置處的脈沖響應(yīng)，并測(cè)量得到n對(duì)空間脈沖響應(yīng)；將傅里葉變換后的信號(hào)(H1aH1b),(H2aH2b),…,(HnaHnb)作為模板庫；測(cè)量未知聲源得到時(shí)域上的一對(duì)信號(hào)(fa fb)，將fa fb進(jìn)行傅里葉變換得到Fa Fb，將分別與進(jìn)行相關(guān)性分析，求得所有的相關(guān)系數(shù)，將最大的相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)位置作為聲源位置。本發(fā)明具有較高的精度，因而在封閉空間聲源定位中具有廣闊應(yīng)用前景。
【專利說明】基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，該方法可應(yīng)用 于任意類型封閉空間，特別是環(huán)境復(fù)雜、混響程度較高的封閉空間的聲源定位。

【背景技術(shù)】
[0002] 封閉空間內(nèi)的聲源定位是聲學(xué)研究中一項(xiàng)重要內(nèi)容，在人們生活中的很多方面都 有較廣的應(yīng)用，例如飛機(jī)艙室的噪聲源定位問題，會(huì)議室的智能話筒傳音控制系統(tǒng)，以及地 下車庫的車位識(shí)別系統(tǒng)等。這類空間的主要特點(diǎn)是環(huán)境復(fù)雜且混響程度較高，某些小尺度 的空間還有嚴(yán)重的聲波干涉、衍射效應(yīng)，對(duì)聲源定位技術(shù)的精度、穩(wěn)定性要求較高。
[0003] 現(xiàn)有的聲源定位技術(shù)主要分為4類。第一類是基于最大輸出功率的可控波束形成 技術(shù)，它將各陣元采集來的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和形成波束，通過搜索聲源的可能位置來引導(dǎo) 該波束，修改權(quán)值使得傳聲器陣列的輸出信號(hào)功率量最大。在傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單波束形成器中，僅 值取決于各陣元上信號(hào)的相位延遲，同時(shí)相位延遲和聲達(dá)時(shí)間延遲有關(guān)，因此叫做延時(shí)求 和波束形成器。后來出現(xiàn)的波束形成系統(tǒng)中，在進(jìn)行時(shí)間校正的同時(shí)，還對(duì)信號(hào)進(jìn)行了濾 波，根據(jù)不同的濾波器形成了不同的算法；第二類是高分辨率譜估計(jì)技術(shù)，這類的聲源定位 技術(shù)基于高分辨率的譜估計(jì)算法，通過獲取了傳聲器陣列的信號(hào)來計(jì)算空間譜的相關(guān)矩陣 獲得聲源位置。第三類是基于聲達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)，這類聲源定位方法一般是先進(jìn)行聲 達(dá)時(shí)間差估計(jì)，并從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲；再利用獲取的聲達(dá)時(shí)間差，結(jié)合 已知的傳聲器陣列的空間位置進(jìn)一步定出聲源的方向。第四類是基于時(shí)間反轉(zhuǎn)原理的單傳 聲器聲源定位技術(shù)，這種方法預(yù)先在需定位的封閉空間內(nèi)劃分區(qū)域網(wǎng)格并進(jìn)行脈沖響應(yīng)的 采樣，然后在實(shí)際測(cè)試過程中對(duì)未知聲源進(jìn)行了脈沖響應(yīng)的測(cè)量，最后通過比對(duì)測(cè)量信息 與米樣信息來確定聲源的位置。
[0004] 從算法和實(shí)際應(yīng)用來看，現(xiàn)有的聲源定位技術(shù)還存在著一些缺陷。首先，對(duì)于基于 最大輸出功率的可控波形成技術(shù)來說，要獲得較高的定位精度，需要大規(guī)模的傳聲器陣列， 這在經(jīng)濟(jì)上會(huì)造成很大的負(fù)擔(dān)；另外，這種技術(shù)由于算法的限制，只能對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的聲源進(jìn)行定 位，在小尺度的封閉空間中，其定位精度將會(huì)大大下降。其次，對(duì)于基于高分辨率譜估計(jì)技 術(shù)的聲源定位方法，要求空間中的聲源或噪聲必須平穩(wěn)時(shí)不變的，但這對(duì)于語音信號(hào)來說， 這種實(shí)際的聲學(xué)環(huán)境很難實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，基于高分辨率的譜估計(jì)聲源定位還有很多的假設(shè)條 件，這對(duì)一個(gè)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來說也不可能；而且在計(jì)算中，這種譜估計(jì)方法的運(yùn)算量很 大，還很容易導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，因而在現(xiàn)代的聲源定位系統(tǒng)中很少采用。第三，對(duì)于基于聲 達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)，聲源定位實(shí)際上只是定位出了聲源的方向，具體的距離則無法給出， 另外，這種方法受環(huán)境混響影響很大，當(dāng)混響程度較高時(shí)，精度很低。第四，基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的 單傳聲器聲源定位技術(shù)在實(shí)際定位過程中，需要獲得聲源到接收位置的脈沖響應(yīng)，這就要 求聲源具有特殊形式的信號(hào)形式，這在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，限制了其應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有聲源定位方法成本較高，且在封閉空間等非平穩(wěn)噪聲及復(fù)雜聲環(huán)境 下很難精確定位的現(xiàn)狀，本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種基于空間脈沖響應(yīng)匹配的雙傳 聲器封閉空間聲源定位方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以解決：
[0007] -種基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，包括采樣階段和檢測(cè)階段 兩部分：
[0008] 采樣階段：對(duì)預(yù)設(shè)采樣位置的空間脈沖響應(yīng)采樣，包括步驟1?步驟3 ;
[0009] 步驟1 :在待測(cè)封閉空間內(nèi)部的任意位置布置兩個(gè)傳聲器Ra，Rb;
[0010] 步驟2:將待測(cè)封閉空間劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格的中心S1, S2，…Sn作為采 樣位置，n為待測(cè)封閉空間劃分得到的網(wǎng)格個(gè)數(shù)；
[0011] 步驟3 :在第一個(gè)采樣位置Sn布置一個(gè)球形的無指向聲源，然后測(cè)量得到兩個(gè)傳 聲器Ra，Rb位置處的脈沖響應(yīng)，并測(cè)量得到每個(gè)采樣位置分別到兩個(gè)傳聲器Ra，R b的一對(duì)空 間脈沖響應(yīng)（hla hlb)，（h2a h2b)，…，（hna hnb)，共得到n對(duì)空間脈沖響應(yīng)；分別對(duì)得到的每一 對(duì)空間脈沖響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換，將變換后的信號(hào)（Hla Hlb)，（H2a H2b),…，（Hna Hnb)作為模 板庫存儲(chǔ)，采樣階段完成；
[0012] 檢測(cè)階段：對(duì)待測(cè)封閉空間內(nèi)的未知聲源進(jìn)行檢測(cè)定位，包括步驟4?步驟6 ;
[0013] 步驟4 :利用兩個(gè)傳聲器Ra，Rb對(duì)待測(cè)封閉空間內(nèi)的未知聲源進(jìn)行測(cè)量，得到時(shí)域 上的一對(duì)信號(hào)（fa fb)，將fa fb進(jìn)行傅里葉變換得到Fa Fb;所述信號(hào)（fa fb)是聲源信號(hào)與 通道脈沖響應(yīng)的卷積，即

【權(quán)利要求】
1. 一種基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，其特征在于，包括采樣階段 和檢測(cè)階段兩部分： 采樣階段：對(duì)預(yù)設(shè)采樣位置的空間脈沖響應(yīng)采樣，包括步驟1?步驟3 ; 步驟1 :在待測(cè)封閉空間內(nèi)部的任意位置布置兩個(gè)傳聲器Ra，Rb; 步驟2 :將待測(cè)封閉空間劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格的中心Si，S2，…Sn作為采樣位 置，n為待測(cè)封閉空間劃分得到的網(wǎng)格個(gè)數(shù)； 步驟3 :在第一個(gè)采樣位置Sn布置一個(gè)球形的無指向聲源，然后測(cè)量得到兩個(gè)傳聲器Ra，Rb位置處的脈沖響應(yīng)，并測(cè)量得到每個(gè)采樣位置分別到兩個(gè)傳聲器Ra，Rb的一對(duì)空間脈 沖響應(yīng)（hlahlb)，（h2ah2b)，…，（hnahnb)，共得到n對(duì)空間脈沖響應(yīng)；分別對(duì)得到的每一對(duì)空 間脈沖響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換，將變換后的信號(hào)（HlaHlb)，（H2aH2b)，…，（HnaHnb)作為模板庫存 儲(chǔ)，采樣階段完成； 檢測(cè)階段：對(duì)待測(cè)封閉空間內(nèi)的未知聲源進(jìn)行檢測(cè)定位，包括步驟4?步驟6 ; 步驟4 :利用兩個(gè)傳聲器Ra，Rb對(duì)待測(cè)封閉空間內(nèi)的未知聲源進(jìn)行測(cè)量，得到時(shí)域上的 一對(duì)信號(hào)（fafb)，將fafb進(jìn)行傅里葉變換得到FaFb;所述信號(hào)（fafb)是聲源信號(hào)與通道 脈沖響應(yīng)的卷積，即
式中，fafb為測(cè)量得到的時(shí)域上的一對(duì)信號(hào)，fs為聲源信號(hào)，hahb分別為待測(cè)封閉空 間內(nèi)的未知聲源分別到兩個(gè)傳聲器的空間脈沖響應(yīng)； 步驟5 :假設(shè)FaFb為fafb的傅里葉變換，F(xiàn)s為fs的傅里葉變換，HaHb為hahb的傅里 葉變換，則有
步驟6 :將
進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計(jì)算； 步驟7:找出得到的相關(guān)系數(shù)最大的一組數(shù)據(jù)(^，認(rèn)為聲源位于該組數(shù)據(jù)Ci所對(duì)應(yīng)的采 樣位置Sy完成對(duì)未知聲源的定位。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，其特征在 于，所述步驟1中兩個(gè)所述傳聲器之間的距離應(yīng)不小于〇. 5m。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，其特征在 于，所述步驟2中，所述網(wǎng)格采用長(zhǎng)方形或正方形；相鄰網(wǎng)格的中心距離不小于40cm。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，其特征在 于，所述步驟3中，兩個(gè)傳聲器Ra，Rb位置處的脈沖響應(yīng)采用DIRAC測(cè)量系統(tǒng)得到。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位方法，其特征在 于，所述步驟6中，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算如下式：
式中，corrcoef表示皮爾遜相關(guān)系數(shù)運(yùn)算，XiYi表示一個(gè)數(shù)據(jù)序列的每一個(gè)值， 表示數(shù)據(jù)序列的平均值。
6. -種基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，包括采樣模塊 和檢測(cè)模塊： 采樣模塊：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)采樣位置的空間脈沖響應(yīng)采樣，包括模塊1?模塊2 ; 模塊1 :用于將待測(cè)封閉空間劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格的中心Si，S2，…Sn作為 采樣位置，n為待測(cè)封閉空間劃分得到的網(wǎng)格個(gè)數(shù)； 模塊2 :用于測(cè)量在待測(cè)封閉空間內(nèi)部的任意位置的布置兩個(gè)傳聲器Ra，Rb位置處 的脈沖響應(yīng)，并測(cè)量得到每個(gè)采樣位置分別到兩個(gè)傳聲器Ra，Rb的一對(duì)空間脈沖響應(yīng)（hla V)，（h2ah2b)，…，（hnahnb)，共得到n對(duì)空間脈沖響應(yīng)；分別對(duì)得到的每一對(duì)空間脈沖響應(yīng) 進(jìn)行傅里葉變換，將變換后的信號(hào)（HlaHlb)，（H2aH2b)，…，（HnaHnb)作為模板庫存儲(chǔ)； 檢測(cè)模塊：用于對(duì)待測(cè)封閉空間內(nèi)的未知聲源進(jìn)行檢測(cè)定位，包括模塊3?模塊5 ; 步驟3 :用于利用兩個(gè)傳聲器Ra，Rb對(duì)待測(cè)封閉空間內(nèi)的未知聲源進(jìn)行測(cè)量，得到時(shí)域 上的一對(duì)信號(hào)（fafb)，將fafb進(jìn)行傅里葉變換得到FaFb;所述信號(hào)（fafb)是聲源信號(hào)與 通道脈沖響應(yīng)的卷積，即
式中，fafb為測(cè)量得到的時(shí)域上的一對(duì)信號(hào)，fs為聲源信號(hào)，hahb分別為待測(cè)封閉空 間內(nèi)的未知聲源分別到兩個(gè)傳聲器的空間脈沖響應(yīng)； 模塊4 :用于實(shí)現(xiàn)以下功能：假設(shè)FaFb為fafb的傅里葉變換，F(xiàn)s為fs的傅里葉變換，HaHb為hahb的傅里葉變換，計(jì)算得到
模塊5 :用于實(shí)現(xiàn)以下功能：將^
進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算； 模塊6:用于找出得到的相關(guān)系數(shù)最大的一組數(shù)據(jù)Ci，認(rèn)為聲源位于該組數(shù)據(jù)Ci所對(duì)應(yīng) 的采樣位置Si，完成對(duì)未知聲源的定位。
7. 如權(quán)利要求5所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述模塊2中兩個(gè)所述傳聲器之間的距離應(yīng)不小于0. 5m。
8. 如權(quán)利要求5所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述模塊1中，所述網(wǎng)格采用長(zhǎng)方形或正方形；相鄰網(wǎng)格的中心距離不小于40cm。
9. 如權(quán)利要求5所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述模塊2中，兩個(gè)傳聲器Ra，Rb位置處的脈沖響應(yīng)采用DIRAC測(cè)量系統(tǒng)得到。
10. 如權(quán)利要求5所述的基于空間脈沖響應(yīng)匹配的封閉空間聲源定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述模塊5中，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算如下：
式中，corrcoef表示皮爾遜相關(guān)系數(shù)運(yùn)算，XiYi表示一個(gè)數(shù)據(jù)序列的每一個(gè)值，XF表示數(shù)據(jù)序列的平均值。
【文檔編號(hào)】G01S5/22GK104407328SQ201410669207
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】曾向陽, 王海濤, 馬慧穎, 王強(qiáng), 蔡懷珍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)