用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機信號處理領域，具體涉及一種用麥克風陣列時延估計定位聲源 的方法。
【背景技術】
[0002] 20世紀80年代以來，麥克風陣列信號處理技術得到迅猛的發(fā)展，并在雷達、聲納 及通信中得到廣泛的應用。這種陣列信號處理的思想后來應用到語音信號處理中。在國際 上將麥克風陣列系統(tǒng)用于語音信號處理的研究源于1970年。1976年，Gabfid將雷達和聲納 中的自適應波束形成技術直接應用于簡單的聲音獲取問題。1985年，美國AT&T/Bell實驗 室的Flanagan采用21個麥克風組成現(xiàn)行陣列，首次用電子控制的方式實現(xiàn)了聲源信號的 獲取，該系統(tǒng)采用簡單的波束形成方法，通過計算預先設定位置的能量，找到具有最大能量 的方向。同年，F(xiàn)lanagan等人又將二維麥克風陣列應用于大型房間內(nèi)的聲音拾取，以抑制 混響和噪聲對聲源信號的影響。由于當時技術的制約，使得該算法還不能夠借助于數(shù)字信 號處理技術以數(shù)字的方式實現(xiàn)，而主要采用了模擬器件實現(xiàn)，1991年，Kellermann借助于 數(shù)字信號處理技術，用全數(shù)字的方式實現(xiàn)了這一算法，進一步改善了算法的性能，降低了硬 件成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。隨后，麥克風陣列系統(tǒng)已經(jīng)應用于許多場合，包括視頻會議、 語音識別、說話人識別、汽車環(huán)境語音獲取、混響環(huán)境聲音拾取、聲源定位和助聽裝置等。目 前，基于麥克風陣列的語音處理技術正成為一個新的研究熱點，但相關應用技術還不成熟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于麥克風陣列的聲源定位方法具有廣泛的應用前景和潛在的經(jīng)濟效益，本發(fā)明 旨在提供一種用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法，以期應用在包括語音識別、強噪聲 環(huán)境下的語音獲取、大型場所的會議記錄、聲音檢測和助聽裝置等領域。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0005] -種用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法，包括時延估計和聲源定位，其特征 在于：首先，通過算法估計聲源信號到達陣列中麥克風陣元的相對時間差；第二步則利用 估計時間差來計算出聲源到達各陣元的距離差，然后結合陣列拓撲結構用幾何算法或搜索 確定聲源位置。
[0006] 所述時延估計的具體方法是：假設只有唯一的聲源，麥克風陣列為均勻直線形陣 列的情況，遠場環(huán)境中有一個待定位的聲源信號S(k)，選擇第一個麥克風陣兀為參考點，第 η個陣元在k時刻接收到的信號表示為：
[0007] yn (k) = a ns (k~t~ τ nl) +vn (k)
[0008] = a ns [k-t_Fn ( τ ) ] +Vn (k)
[0009] = xn(k)+vn(k), n = 1,2, ..., N
[0010] 其中an(n = 1，2，···，Ν)為信號在傳播過程中的衰減，其值介于[0，1]之間；t表 示信號從s(k)傳播到1號陣元之間的傳播時間；v n(k)表示在第η個陣元上接收到的加性 噪聲；τ表τκ 1號麥克風陣兀與2號麥克風陣兀所接收到的信號時延差；Fn( τ )函數(shù)表τκ 第η個陣元與第一個陣元之間的信號時延。
[0011] 所述聲源定位的具體方法是：根據(jù)聲源和陣列之間的幾何關系確定出聲源方向角 與距離。
[0012] 本發(fā)明可實際應用于以下領域：視頻會議，聲源定位技術可為視頻會議中的發(fā)言 人跟蹤定位；機器人技術，利用雙耳時延模型及互相關操作來實現(xiàn)機器人對聲源的定位及 跟蹤；噪聲檢測，為了更好的控制汽車、摩托車等發(fā)動機及大型器械中的噪聲，聲源定位技 術是對發(fā)動機性能評估、大型機械穩(wěn)定性測試的重要方法；醫(yī)療診斷及醫(yī)療設備，在醫(yī)療設 備中，聲源定位技術可用于病變部位的分析，疾病的診斷起到極大的促進推動作用。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的聲源定位原理圖。
【具體實施方式】
[0014] 基于時延估計的聲源定位方法通常分為兩個步驟，即時延估計和聲源定位。本發(fā) 明首先通過算法估計聲源信號到達陣列中麥克風陣元的相對時間差；第二步則利用估計時 間差來計算出聲源到達各陣元的距離差，然后結合陣列拓撲結構用幾何算法或搜索確定聲 源位置。
[0015] 1.時延估計
[0016] 陣列的幾何形狀對聲源定位性能至關重要，根據(jù)麥克風陣列所處的環(huán)境，時延估 計的模型可以被分為理想模型與混響模型。我們把麥克風陣元這種只接收通過直接路徑到 達麥克風陣列的聲音信號的模型稱作理想模型。把這種不僅考慮通過直接路徑到達的信 號，還考慮聲源發(fā)出的信號遇到墻壁、桌子等反射后間接到達陣列的信號的這種模型稱作 混響模型。由于混響信號的路徑的數(shù)量具有不確定性，基于混響模型的算法復雜度與理想 模型相比其算法復雜度相對比較大，基于混響模型的算法是用數(shù)學模型去擬合干擾的影響 并不像理想模型回避間接路徑信號的干擾，因此基于混響模型的算法的時延估計效果比較 好。盡管如此，為了降低算法的復雜度，本發(fā)明主要就理想模型來研究麥克風陣列的時延估 計。
[0017] 假設只有唯一的聲源，麥克風陣列為均勻直線形陣列的情況。遠場環(huán)境中有一個 待定位的聲源信號S (k)，如果我們選擇第一個麥克風陣元為參考點，那么第η個陣元在k時 刻接收到的信號可以表示為：
[0018] yn (k) = a ns (k-t- τ nl) +vn (k)
[0019] = a ns [k-t_Fn ( τ ) ]+Vn (k)
[0020] = xn(k)+vn(k), n = 1,2, ..., N
[0021] 其中an(n = 1,2, ···，N)為信號在傳播過程中的衰減，其值介于[0，1]之間。t 表示信號從s(k)傳播到1號陣元之間的傳播時間。vn(k)表示在第η個陣元上接收到的加 性噪聲。假設噪聲與語音信號以及其它陣兀的噪聲信號互不相關。τ (注意）表不1號麥 克風陣元與2號麥克風陣元所接收到的信號時延差。Fn(〇函數(shù)表示第η個陣元與第一 個陣元之間的信號時延。這里假設使用的麥克風陣列模型為位于遠場環(huán)境中的均勻直線陣 列，于是可以得到：
[0022] F!( τ ) = 〇, F2( τ ) = τ，F(xiàn)n( τ ) = (η-1) τ，η = 2,…，N
[0023] 在近場中，信號是以球面波形式到達麥克風陣列的，所以^是τ的非線性函數(shù)。 這時Fn既與麥克風陣元間距有關，而且對聲源信號相對于陣列的位置有著很大的依賴性。 對于均勻直線形陣列，^函數(shù)已知，所以求時延估計的問題就等價于估計τ的問題，通過時 延估計算法，從采集到的有限幀的多通道聲音信號中計算出；
[0024] 2.聲源定位
[0025] 麥克風陣列時延估計后，就可以根據(jù)聲源和陣列之間的幾何關系確定出聲源方向 角與距離，但在定位精度會受到很多因素的影響，其中影響定位精度的主要因素是時延估 計方法和定位方法。本技術采用改進的聲源定位算法，將聲源看作是點聲源并假設聲源在 無窮遠處，那么波前就垂直于波面。麥克風Α和Β接收到信號的時間先后如圖1所示，其中 L是兩個麥克風陣元間的間距，c是聲音在空氣中傳播速度，τ AB是聲源到兩個麥克風的時 間差也就是陣元間的時延，Θ是聲源的方向角。
【主權項】
1. 一種用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法，包括時延估計和聲源定位，其特征在 于：首先，通過算法估計聲源信號到達陣列中麥克風陣元的相對時間差；第二步則利用估 計時間差來計算出聲源到達各陣元的距離差，然后結合陣列拓撲結構用幾何算法或搜索確 定聲源位置。2. 根據(jù)權利要求1所述的用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法，其特征在于所述時 延估計的具體方法是：假設只有唯一的聲源，麥克風陣列為均勻直線形陣列的情況，遠場環(huán) 境中有一個待定位的聲源信號s (k)，選擇第一個麥克風陣元為參考點，第η個陣元在k時刻 接收到的信號表示為： yn (k) = a ns (k-t- τ nl) +vn (k) =a ns [k-t-Fn ( τ ) ] +vn (k) =xn(k)+vn(k),n= 1,2, ..., N 其中an(n = 1,2, ···，N)為信號在傳播過程中的衰減，其值介于[0，1]之間；t表示 信號從s(k)傳播到1號陣元之間的傳播時間；vn(k)表示在第η個陣元上接收到的加性噪 聲；τ表不1號麥克風陣兀與2號麥克風陣兀所接收到的信號時延差；F n( τ )函數(shù)表不第 η個陣元與第一個陣元之間的信號時延。3. 根據(jù)權利要求1所述的用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法，其特征在于所述聲 源定位的具體方法是：根據(jù)聲源和陣列之間的幾何關系確定出聲源方向角與距離。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用麥克風陣列時延估計定位聲源的方法，包括時延估計和聲源定位，其特征在于：首先，通過算法估計聲源信號到達陣列中麥克風陣元的相對時間差；第二步則利用估計時間差來計算出聲源到達各陣元的距離差，然后結合陣列拓撲結構用幾何算法或搜索確定聲源位置。
【IPC分類】G01S5/22
【公開號】CN105607042
【申請?zhí)枴緾N201410663512
【發(fā)明人】張夢巧, 王潔瑩, 張喜明
【申請人】北京航天長峰科技工業(yè)集團有限公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2014年11月19日