一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法技术

本发明专利技术提出了一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法，其选取M个麦克风传感器构建环形麦克风阵列，设置一麦克风传感器作为参考麦克风传感器，以该参考麦克风传感器建立阵列坐标系，其余M—1个麦克风传感器环绕参考麦克风传感器设置，并在舱室内设置D个声源；获取D个声源到各麦克风传感器的相对传递函数，并构建环形麦克风阵列的阵列流型矩阵；进一步引入声源与参考麦克风传感器的直线距离、声源相对于参考麦克风传感器的方位角和声源频率构建阵列流型近场模型；采用MUSIC算法估算各声源相对于参考麦克风传感器的方位角；在舱室内预设两个以上相同的环形麦克风阵列，估算声源相对于每个环形麦克风阵列相对于参考麦克风传感器的方位角，总体运用最小二乘法求解声源到各环形麦克风阵列的距离。各环形麦克风阵列的距离。各环形麦克风阵列的距离。

A noise source localization method based on multiple microphone arrays

【技术实现步骤摘要】
一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法


[0001]本专利技术涉及声源定位领域，尤其涉及一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法。

技术介绍

[0002]声源定位在声音信号的处理中处于非常重要的地位，广泛应用在诸如智能设备、视频会议系统、违章抓拍或者故障诊断等方面，能够自动捕捉和对准发声对象。其通过对采集信号进行处理得到声源到达麦克风整列的波达方向，相比单个麦克风传感器，由多个麦克风传感器组成的麦克风阵列在语音信号处理方面具有更好的优势，麦克风阵列具有互补性，能更好的消除背景噪声。在舱室内，受环境限制，声源到麦克风阵列的距离较近，需要考虑声音振幅随距离变化的关系，而且现有方法对声源具体位置的定位精度不高，影响了具体应用的可靠性。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提出了一种对声源实际位置定位较精确、尤其适用于多个声源的基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法。
[0004]本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法，包括以下步骤：
[0005]S1：选取M个麦克风传感器构建环形麦克风阵列，设置一麦克风传感器作为参考麦克风传感器，以该参考麦克风传感器建立阵列坐标系，其余M
‑
1个麦克风传感器环绕参考麦克风传感器设置；在舱室内设置D个声源，M＞D；
[0006]S2：获取D个声源到各麦克风传感器的相对传递函数，并构建环形麦克风阵列的阵列流型矩阵；
[0007]S3：根据各麦克风传感器在阵列坐标系中的已知的坐标向量、D个声源到参考麦克风传感器的直线距离，以及上一步骤中得到的阵列流型矩阵，进一步引入声源与参考麦克风传感器的直线距离、声源相对于参考麦克风传感器的方位角和声源频率构建阵列流型近场模型；
[0008]S4：针对已构建的阵列流型近场模型，采用MUSIC算法估算各声源相对于参考麦克风传感器的方位角；
[0009]S5：获取声源相对于该参考麦克风传感器的方位角后，进一步在舱室内形成两个以上相同的环形麦克风阵列，采用MUSIC算法估算声源相对于其他环形麦克风阵列相对于参考麦克风传感器的方位角，求解声源到各环形麦克风阵列中心的直线距离。
[0010]在以上技术方案的基础上，优选的，所述选取M个麦克风传感器构建环形麦克风阵列并建立阵列坐标系，是以参考麦克风传感器为圆心，其余麦克风传感器均匀分布在半径R的圆周上；以参考麦克风传感器为原点，其指向圆周上某一麦克风传感器的方向为Z轴方向，圆周所在平面内设置一经过参考麦克风传感器并与Z轴垂直的X轴；垂直圆周所在平面
的方向为Y轴，建立阵列坐标系。
[0011]进一步优选的，所述步骤S2中获取若干个声源到各麦克风传感器的相对传递函数，构建环形麦克风阵列的阵列流型矩阵，是令参考麦克风传感器在阵列坐标系的坐标为(0，0，0)，环绕参考麦克风传感器的第i个麦克风在阵列坐标系的空间向量(x
pi
，y
pi
，z
pi
)；第j个声源在麦克风阵列坐标系下的空间向量为 S
j
＝(x
sj
，y
sj
，z
sj
)；第j个声源与第i个麦克风传感器的距离r
ij
为：令第j个声源的声源强度为Q
j
，第i 个麦克风传感器收到的第j个声源的声压为式中I为单位虚数，f为声源频率，ρ是空气密度，c为空气中的声速，t表示时间；令上式改写为对于参考麦克风传感器第j个声源的声压为令Г
ij
(f)为第 j个声源的声源频率f到第i个麦克风传感器的相对传递函数，Г
1j
(f)＝1， P
ij
(t，f)转换为：D个声源同时发声时，令第i个麦克风传感器收到的升压信号为X
i
(t，f)exp(I2πft)； X
i
(t，f)表示时间t、声源频率f处的第i个麦克风传感器的幅值和相位，通过对声压时域信号进行短时傅里叶变换得到：A
i
(f)＝[Γ
i1
(f)
…
Г
iD
(f)]；其中β为麦克风传感器的信号调理放大系数； n
i
(t，f)exp(2πft)为麦克风传感器的噪声，A
i
(f)是D个声源到达第i个麦克风传感器的阵列流型向量；对于所有M个麦克风传感器，对应的存在：其中A(t，f)为阵列流型矩阵，N(t，f)为麦克风传感器噪声向量，Γ
11
(f)，
…
，Γ
1D
(f)，
…
，Γ
M1
(f)，
…
，Γ
MD
(f)表示各声源的声源频率f分别到各麦克风传感器的相对传递函数。
[0012]更进一步优选的，所述步骤S3中阵列流型近场模型，是令声源的坐标向量为S，S＝(s sin θ sin ψ，s cos θ，s sin θ cos ψ)，其中小写s为该声源到参考麦克风传感器的直线距离，θ和ψ是声源相对于Y轴和Z轴的方位角，第i个麦克风传感器在阵列坐标系的坐标向量p
i
为：
[0013]R为环形麦克风阵列的半径，M为麦克风传感器的数量；将声源的坐标向量S和麦克风传感器坐标向量p
i
代入步骤步骤S2获得的阵列流型矩阵，获得阵列流型近场模型其中Γ
1S
(f)、
…
Γ
MS
(f)表示距阵列坐标系坐标原点距离s 的声源的声源频率f分别对M个麦克风传感器的传递函数。
[0014]更进一步优选的，所述采用MUSIC算法估算各声源相对于参考麦克风传感器的方位角，是将公式简写为X＝AP+N，其中X＝X(t，f)＝[X1(t，f)...X
M
(t，f)]T
，X为M个麦克风传感器信号在时刻t、频率f 时对应的阵列信号向量，A＝A(t，f)，P＝[βP
11
…
βP
1D
]T
，N＝N(t，f)；令 R
X
＝E[(AP+N)(AP+N)
H
]＝AR
S
A
H
+R
N
，其中R
X
为阵列信号向量X的自相关矩阵，R
S
为声源信号的自相关矩阵，R
S
＝E[PP
H
]；R
N
为噪声自相关矩阵，R
N
＝σ2K， K为M阶单位矩阵；上标T表示转秩矩阵，上标H表示共轭转秩矩阵，上式表示将R
X
分解为信号特征值和噪声特征值；以噪声特征值对应的各噪声特征向量为列，构建噪声矩阵E
n
，E
n
有M
‑
D列，各噪声特征值对应的噪声特征向量与矩阵A的列向量正交本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：选取M个麦克风传感器构建环形麦克风阵列，设置一麦克风传感器作为参考麦克风传感器，以该参考麦克风传感器建立阵列坐标系，其余M
‑
1个麦克风传感器环绕参考麦克风传感器设置；在舱室内设置D个声源，M＞D；S2：获取D个声源到各麦克风传感器的相对传递函数，并构建环形麦克风阵列的阵列流型矩阵；S3：根据各麦克风传感器在阵列坐标系中的已知的坐标向量、D个声源到参考麦克风传感器的直线距离，以及上一步骤中得到的阵列流型矩阵，进一步引入声源与参考麦克风传感器的直线距离、声源相对于参考麦克风传感器的方位角和声源频率构建阵列流型近场模型；S4：针对已构建的阵列流型近场模型，采用MUSIC算法估算各声源相对于参考麦克风传感器的方位角；S5：获取声源相对于该参考麦克风传感器的方位角后，进一步在舱室内形成两个以上相同的环形麦克风阵列，采用MUSIC算法估算声源相对于其他环形麦克风阵列相对于参考麦克风传感器的方位角，求解声源到各环形麦克风阵列中心的直线距离。2.根据权利要求1所述的一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法，其特征在于：所述选取M个麦克风传感器构建环形麦克风阵列并建立阵列坐标系，是以参考麦克风传感器为圆心，其余麦克风传感器均匀分布在半径R的圆周上；以参考麦克风传感器为原点，其指向圆周上某一麦克风传感器的方向为Z轴方向，圆周所在平面内设置一经过参考麦克风传感器并与Z轴垂直的X轴；垂直圆周所在平面的方向为Y轴，建立阵列坐标系。3.根据权利要求2所述的一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法，其特征在于：所述步骤S2中获取若干个声源到各麦克风传感器的相对传递函数，构建环形麦克风阵列的阵列流型矩阵，是令参考麦克风传感器在阵列坐标系的坐标为(0，0，0)，环绕参考麦克风传感器的第i个麦克风在阵列坐标系的空间向量(x
pi
，y
pi
，z
pi
)；第j个声源在麦克风阵列坐标系下的空间向量为S
j
＝(x
sj
，y
sj
，z
sj
)；第j个声源与第i个麦克风传感器的距离r
ij
为：令第j个声源的声源强度为Q
j
，第i个麦克风传感器收到的第j个声源的声压为式中I为单位虚数，f为声源频率，ρ是空气密度，c为空气中的声速，t表示时间；令上式改写为对于参考麦克风传感器第j个声源的声压为令Γ
ij
(f)为第j个声源的声源频率f到第i个麦克风传感器的相对传递函数，Γ
1j
(f)＝1，P
ij
(t，f)转换为：
D个声源同时发声时，令第i个麦克风传感器收到的升压信号为X
i
(t，f)exp(I2πft)；X
i
(t，f)表示时间t、声源频率f处的第i个麦克风传感器的幅值和相位，通过对声压时域信号进行短时傅里叶变换得到：A
i
(f)＝[Γ
j1
(f)
…
Γ
iD
(f)]；其中β为麦克风传感器的信号调理放大系数；n
i
(t，f)exp(2πft)为麦克风传感器的噪声，A
i
(f)是D个声源到达第i个麦克风传感器的阵列流型向量；对于所有M个麦克风传感器，对应的存在：其中A(t，f)为阵列流型矩阵，N(t，f)为麦克风传感器噪声向量，Γ
11
(f)，
…
，Γ
1D
(f)，
…
，Γ
M1
(f)，
…
，Γ
MD
(f)表示各声源的声源频率f分别到各麦克风传感器的相对传递函数。4.根据权利要求3所述的一种基于多个麦克风阵列的噪声源定位方法，其特征在于：所述步骤S3中阵列流型近场模型，是令声源的坐标向量为S，S＝(s sinθsinψ，s cosθ，s sinθcosψ)，其中小写s为该声源到参考麦克...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨恺，管龙腾，何将赢，苏克玮，
申请(专利权)人：盈蓓德南通智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：