一种幅度调制声源的快速定位方法技术

本发明专利技术公开了一种幅度调制声源的快速定位方法，包括：(1)使用Q个传声器构成的麦克风阵列对声源辐射信号以采样频率Fs采样T次，得到采样信号Yn∈R

A Fast Location Method for Amplitude Modulated Sound Source

【技术实现步骤摘要】
一种幅度调制声源的快速定位方法
本专利技术属于信号处理领域，尤其是涉及一种幅度调制声源的快速定位方法。
技术介绍
声音是一种对人类非常重要的信息源，无论是在日常生活还是在工业生产中都有着不可替代的作用。声源定位技术利用麦克风阵列采集目标声学信号，根据采集信号的方向和距离来反演出声音的位置，从而进一步实现发声部件的定位、识别、跟踪等，在移动通信、工业监测系统、机器人、故障识别与诊断等领域有着广泛的应用。对于声源定位技术而言，在指定麦克风阵列和特定测量环境的条件下，声源定位的精度主要取决于声源定位反演算法和目标声源的信号模型。对于反演算法而言，相关研究人员基于波束形成的原理研究出许多声源定位算法，近年来，受到压缩感知稀疏特征的启发，有关学者将声源的稀疏特性和声源定位波束形成技术相结合，提出了基于凸优化的压缩感知波束形成算法，但是利用凸优化工具包计算复杂度较高，计算效率严重阻碍了其适用情况，尤其是在扫描网格较大的情况下，该方法的时效性受到了严重的制约。对于信号模型而言，在实际的过程工业场景中，大多数机械都属于旋转、往复式机械，比如螺旋桨、泵、压缩机、风机等，这一类机械所辐射的气动噪声属于非平稳信号，究其成分而言，不仅包括轴频、叶频、整数倍频、分数谐波、伴有各种频率之间以及特征频率与环境噪声之间复杂的调制耦合关系，而调制频率可以反映关于旋转机械运转状态的一些关键信息，因此，有必要对调制声源进行定位。综上所述，有必要寻求一种以声源稀疏性作为先验信息的快速高效声源定位方法，对幅度调制信号进行快速声源定位，提高信号处理的普适性和时效性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种幅度调制声源的快速定位方法，能够对幅度调制声源的某一频率范围进行高效精确的定位，具有强大的实用性。本专利技术的技术方案如下；一种幅度调制声源的快速定位方法，包括：(1)使用Q个传声器构成的麦克风阵列对声源辐射信号以采样频率Fs采样T次，得到采样信号Yn∈RQ×T；(2)分析获得需要定位的调制中心频率f；(3)根据采样信号Yn和调制中心频率f，获得传播矩阵E以及归一化后得到的传播矩阵E1，并利用常规波束形成方法得到定位结果BF；(4)将定位结果BF按行展开成矢量的形式Y，并根据传播矩阵E以及归一化的传播矩阵E1得到传感矩阵A；(5)根据Y和传感矩阵A，利用快速重构算法反演出声源位置。本专利技术中，进行声源定位的对象是幅度调制信号，是一种真实场景中非平稳信号的建模，其数学模型可以表示为：其中，αi为调制频率，Ai为对应幅值，v(t)为宽带载波，一般为环境噪声，a0cos(2πf0t)为窄带载波，左边括号内为调制信息，右边括号内为载波信息。步骤(2)中，对于幅度调制模型的声源而言，通过循环平稳分析获得调制中心频率αi，此频率即需要定位的中心频率f。步骤(3)中，所述传播矩阵E由传播方向矢量组成，公式表示为：其中，E∈RQ×N，N为扫描网格的分辨率，E(m,n)表示第m个传声器对第n个网格的传播响应，r表示所扫描网格到阵列之间的距离，f表示声源定位的调制中心频率，c表示声速，i为虚数单位。传播矩阵E进行归一化后得到传播矩阵E1，所述传播矩阵E的归一化过程为：其中，Ei表示传播矩阵E的某一列，||·||表示2范数。步骤(3)中，得到定位结果BF的过程为：根据采样信号信号Yn得到归一化的协方差矩阵Rcov，并且根据协方差矩阵Rcov和归一化之后的传播矩阵E1，得到定位结果BF，具体公式为：BF＝E1'RcovE1其中，E1'表示E1的转置，Yn'表示Yn的转置，*表示矩阵乘法，Rcov∈RQ×Q，T表示为采样点数。步骤(4)中，所述传感矩阵A的计算公式为：A(i,j)＝(E1(:,i)'*E(:,j))2其中，A(i,j)表示传感矩阵A的第i行第j列，E1(:,i)'表示矩阵E1的第i列列向量E1(:,i)的转置，E(:,j)表示传播矩阵E的第j列。步骤(5)中，利用快速重构算法反演出声源位置X的具体公式为：其中，β和μ是容错常数，νi和λ是优化乘子，DiX＝ωi，表示信号x在第i个位置上的离散梯度，||·||i表示i范数，通过迭代求出声源X。快速重构算法采用基于交替方向拉格朗日方法的全变分正则化算法。本专利技术以信号的稀疏性作为先验信息，针对工业场景中广泛存在的幅度调制声源，利用基于交替方向拉格朗日方法的全变分正则化的快速算法反演声源位置，从而加强了声源定位方法在复杂工业场景中的适用性，提高降低计算复杂度，提高计算效率，为调制声源的定位提供了一种精确高效的方式。附图说明图1为本专利技术实施例一种幅度调制声源的快速定位方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例中仿真声源位置分布情况；图3为本专利技术实施例中麦克风阵列的分布示意图；图4为本专利技术实施例中运用凸优化方法所得的声源定位结果；图5为本专利技术实施例中运用快速声源定位方法所得的声源定位结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。如图1所示，一种幅度调制声源的快速定位方法，包括以下步骤：S01，根据幅度调制声源模型，设置声源参数，并使用由Q个传声器按照一定布阵方式构成的麦克风阵列对声源辐射信号以Fs的采样频率采样T次；得到采样信号Yn∈RQ×T；为了表现本专利技术方法在声源定位中的优势，采用如图3所示由Q＝35个麦克风传感器组成的阵列，对距离1米处的14个相互靠近组成的E形状的幅度调制声源进行采样率为10000的采样，采样时间为1秒，即Fs＝T＝10000；幅度调制声源建模如下：(v(t)是均值为0方差为1的高斯噪声)α1＝2000；α2＝2500；α3＝3500；α4＝4000；f0＝α1；A1＝A2＝A3＝A4＝1；a0＝0.2为了模拟真实的工业场景，在采集的信号中加入0dB的高斯噪声(信噪比为0dB)，扫描网格间距为0.05m，选取调制频率α2为声源定位中心频率，即f＝α2＝2500Hz，具体声源位置如图2所示。S02，通过循环平稳分析获得调制中心频率αi，此频率即需要定位的中心频率f。S03，根据采样信号结果Yn得到归一化的协方差矩阵Rcov，根据采样条件和中心频率得到由传播方向矢量组成的传播矩阵E，并且根据协方差矩阵Rcov和归一化之后的传播矩阵E1，得到利用常规波束形成方法得到的定位结果BF；根据采样结果得到归一化协方差矩阵的过程可以表示为：其中，Yn'表示Yn的转置，*表示矩阵乘法，Rcov∈RQ×Q。由传播方向矢量组成的传播矩阵可以表示为：其中，E∈RQ×N，N为扫描网格的分辨率，E(m,n)表示第m个传声器对第n个网格的传播响应，r表示所扫描网格到阵列之间的距离，f表示声源定位的中心频率，c表示声速(空气中c＝340m/s)，i为虚数单位。传播矩阵的归一化过程可以表示为：其中，Ei表示矩阵E的某一列，||·||表示1范数。利用常规波束形成方法得到其空间功率谱，根据空间功率谱分布即可得到定位结果BF，具体可表示为：BF＝E1'RE1S04，将常规波束形成的结果BF按行展开成矢量的形式Y，并且根据传播矩阵E和E1得到传感矩阵A；根据Y和A利用快速重构算法反演出声源位置，将此结果表示为X1，该过程可以表示为：其中Y、A、X含义同上，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种幅度调制声源的快速定位方法，其特征在于，包括：(1)使用Q个传声器构成的麦克风阵列对声源辐射信号以采样频率Fs采样T次，得到采样信号Yn∈R

【技术特征摘要】
1.一种幅度调制声源的快速定位方法，其特征在于，包括：(1)使用Q个传声器构成的麦克风阵列对声源辐射信号以采样频率Fs采样T次，得到采样信号Yn∈RQ×T；(2)分析获得需要定位的调制中心频率f；(3)根据采样信号Yn和调制中心频率f，获得传播矩阵E以及归一化后得到的传播矩阵E1，并利用常规波束形成方法得到定位结果BF；(4)将定位结果BF按行展开成矢量的形式Y，并根据传播矩阵E以及归一化的传播矩阵E1得到传感矩阵A；(5)根据Y和传感矩阵A，利用快速重构算法反演出声源位置。2.根据权利要求1所述的幅度调制声源的快速定位方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的调制中心频率f通过循环平稳分析获得。3.根据权利要求1所述的幅度调制声源的快速定位方法，其特征在于，步骤(3)中，所述传播矩阵E由传播方向矢量组成，公式表示为：其中，E∈RQ×N，N为扫描网格的分辨率，E(m,n)表示第m个传声器对第n个网格的传播响应，r表示所扫描网格到阵列之间的距离，f表示声源定位的调制中心频率，c表示声速，i为虚数单位。4.根据权利要求3所述的幅度调制声源的快速定位方法，其特征在于，步骤(3)中，所述传播矩阵E的归...

【专利技术属性】
技术研发人员：初宁，宁岳，黄乾，汪琳琳，范潘斌，潘亦然，叶靖菁，吴大转，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33