使用麥克風陣列對聲源定位的方法

專利名稱：使用麥克風陣列對聲源定位的方法
技術領域：
本發明涉及聲源的定位，更具體地講，涉及一種使用麥克風(MIC)陣列來對聲源 定位的方法。
背景技術：
陣列信號處理已經廣泛應用于通信、雷達、聲納、醫學和航天航空等諸多領域。近 年來，隨著反恐戰的開展，各國已經研制了各種探測爆炸點或槍炮射擊點的位置的設備。在 實際應用中，由于視覺定位往往不易實現，從而發展了一些聲學定位的系統，例如，美國的 回力棒系統、以色列拉斐爾公司的反狙擊手聲探側系統，加拿大麥克唐納 迪特維利公司和 加拿大防務研究和發展委員會也共同開發了一種名為“雪貂”(Ferret)的小型武器探測和 定位系統。Microsoft公司開發的新的Vista操作系統集成了對MIC陣列的支持，Intel公 司的HDAudoi規范可以實現16個MIC、32KHz采樣，這些為聲波信號陣列處理提供了良好的 支持。
目前，使用麥克風陣列來對聲源進行定位的方法總體來說可以分為兩類定向波 速形成和時間延遲估計。定向波速形成是基于最大輸出功率可控波束方法的一種形式，該 方法對麥克風陣列接收到的語音信號進行濾波延遲并加權求和形成特定指向的波束，然后 計算各個指向上的波束能量，其中搜索空間中功率最大的方向就是對聲源位置的一個最大 近似。在基于時間延遲估計的方法中，由于聲源發出的信號到達各個麥克風存在時間差，該 方法根據各個通道信號間的相關關系對這個時間延遲進行估計，從而來對聲源位置進行估 計。
定向波速形成的方法為了搜索能夠使波束功率最大的位置，需要對整個空間進行 掃描，需要進行大量計算，因此很難滿足實時的要求。
基于時間延遲估計的方法計算速度快，能達到實時的要求。這類方法可以適用于 如同語音這樣的非平穩寬帶信源，但是在只有單個信源時能較好地工作，定位的精度與到 達時間差(TDOA)的估計精度有關。發明內容
本發明的目的在于提供一種使用麥克風陣列對聲源定位的方法，該方法能夠快速 對聲源定位。
根據本發明的一方面，提供一種使用麥克風陣列對聲源定位的方法，所述麥克風 陣列為構成正三角形的三個麥克風，所述方法包括建立坐標系，所述坐標系的原點與所 述正三角形的重心重合，三個麥克風中的第一麥克風位于坐標系的縱軸上；將正三角形的 重心與正三角形的三個頂點連接并延長，從而將以所述正三角形的重心為圓心的全圓周分 為6個相等的區間；計算聲源分別到達三個麥克風中的第一麥克風、第二麥克風、第三麥 克風的時間差；將計算的時間差乘以音速，得到聲源到第二麥克風的距離與聲源到第一麥 克風的距離之間的第一距離差以及聲源到第三麥克風的距離與聲源到第一麥克風的距離之間的第二距離差；根據第一距離差和第二距離差的符號以及第一距離差、第二距離差的 絕對值大小比較關系，初步確定聲源相對于正三角形重心的方位角Φ所落入的區間；采用 0. 618法對聲源與正三角形重心的距離R以及方位角Φ逼近優化點，獲得最終估計的距離 R和方位角Φ。
根據本發明的另一方面，提供一種使用麥克風陣列對聲源定位的方法，所述麥克 風陣列為構成正三角形的三個麥克風，所述方法包括建立坐標系，所述坐標系的原點與所 述正三角形的重心重合，三個麥克風中的第一麥克風位于坐標系的縱軸上；計算聲源分別 到達三個麥克風中的第一麥克風、第二麥克風、第三麥克風的時間差；將計算的時間差乘以 音速，得到聲源分別到達第一麥克風、第二麥克風、第三麥克風的距離差；根據三角形邊角 關系建立關于聲源到各個麥克風的距離差的聯立方程組；對聯立方程組中的任意兩個方程 進行聯立求解，得到聲源與正三角形重心的距離R以及聲源相對于正三角形重心的方位角


通過結合附圖，從下面的實施例的描述中，本發明這些和/或其它方面及優點將 會變得清楚，并且更易于理解，其中
圖1是根據本發明的采用正三角形麥克風陣列對聲源定位的示意圖2是根據本發明第一實施例的采用正三角形麥克風陣列對聲源定位的方法的 流程圖3是根據本發明的采用時間延遲特性進行方位分割的示意圖4是根據本發明第二實施例的采用正三角形麥克風陣列對聲源定位的方法的 流程圖；具體實施方式
本發明針對基于時間延遲定位聲源的方法進行了改進和創新。在本發明中，采用 了準Ll相關技術提高時間延遲估計的速度和抗野值干擾能力，進一步采用時間延遲特性 進行方位分割以提高計算速度和去除局部極值點，同時可采用0. 618法加快逼近速度，從 而可以用普通微型計算機在數十毫秒級解決聲源定位問題，滿足實用性的速度和精度要 求。
以下，參照附圖來詳細說明本發明的原理以及實施例。在本發明中，采用由三個麥 克風構成的麥克風陣列來對聲源定位，三個麥克風被布置為正三角形，即，三個麥克風分別 位于正三角形的三個頂點上。
圖1是根據本發明的采用正三角形麥克風陣列對聲源定位的示意圖，圖2是根據 本發明第一實施例的采用正三角形麥克風陣列對聲源定位的方法的流程圖。
參照圖1和圖2，在步驟201，建立坐標系，坐標系的原點0(0，0)與第一麥克風a、 第二麥克風b、第三麥克風c構成的正三角形的重心重合，三個麥克風中的一個麥克風(例 如第一麥克風a)位于坐標系的縱軸上。
在步驟202，計算聲源ρ分別到達第一麥克風a、第二麥克風b、第三麥克風c的時間差。
在步驟203，將計算的時間差乘以聲音在空氣中傳播的速度(音速)，得到聲源P 分別到達第一麥克風a、第二麥克風b、第三麥克風c的距離差。
在計算所述時間差的步驟中，可采用準Ll算法估計所述時間差。普通相關函數可 以認為是2范數下的測度，Ll相關是1范數下的測度，Ll相關與L2相關有幾乎相同的各種 性質。但是，Ll相關比L2相關容易計算，且抗干擾能力更強。
兩個麥克風處的兩個聲音信號χ (η)和y(n)的Ll互相關函數定義如下NN
Rxy(m) = Z ((abs(x(n)) + abs(y(n)))/2) - (abs(x(n) - y(n + m)))n = \n = l
其中，η表示聲音信號的采樣時間點，N表示聲音信號的總采樣點數，m表示時間偏 移量。m是采樣間隔的整數倍。
由于上式的第一項對平穩隨機過程是常數，因此選擇最大的互相關值Rxy (m)，等 效于選擇最小的第二項，這就是準Ll互相關函數。
對于本發明，對聲音信號進行采樣，已知兩個麥克風處的兩個聲音信號X(Ii)和 y(n)的波形基本相同但時間延遲不同，針對上述互相關函數改變m值，使得兩個聲音信號 χ (η)和y(n)的互相關值Rxy (m)最大，S卩，調整χ (η)與y(n)錯位對齊，此時的m值即是兩 個聲音信號x(n)和y(n)的時間差。另外，本領域技術人員應該理解，在上述互相關函數中， abs()表示絕對值函數，X(n)和y(n)表示聲音信號的幅度。
互相關比對求時間差的方法(S卩，準Ll算法)雖然可以應用所有采樣點的延遲信 息，但因為數字化，所以比對只是在整采樣點處進行，而最佳延遲量一般不在整采樣點處。 對此問題可以用提高采樣率的方法提高估計精度。采樣率提高，導致采樣間隔較密，可以更 準確地估計延遲時間差。但采樣率受硬件限制，存儲設備也受硬件限制。因此，在沒有提高 采樣率的情況下，在本發明中還可以采用三點二次曲線插值的方法估計兩個采樣點之間的 值，再進行互相關法估計，從而提高了估計精度。
如圖1所示，正三角形的重心為坐標系的原點0(0，0)。正三角形的邊長為L，聲源 P到各個麥克風a、b、c的距離差為
Dl = R2-R1 (1)
D2 = R3-R1 (2)
D3 = R3-R2 (3)
聲源ρ的極坐標為(R，Φ)，R是聲源ρ與正三角形的重心的距離，Φ是聲源ρ相 對于正三角形的重心的方位角，R和Φ是待求未知數。
三個麥克風a、b、c的頂點極坐標分別為麥克風a: (r，π/2)，麥克風b (r， 7 π/6)，麥克風 c :(r，-Ji/6)。
另外，參照圖2，各個麥克風a、b、c與正三角形的重心的距離r有下述關系 r = L/V3=0.5773502L (4)。
在步驟204，根據三角形邊角關系建立關于聲源P到各個麥克風a、b、c的距離差 的聯立方程組。
參照圖2，根據三角形邊角關系可以得出
R\ = ^R2 +r2 -2xRxrx cos(0>)(5)
權利要求
1.一種使用麥克風陣列對聲源定位的方法，所述麥克風陣列為構成正三角形的三個麥 克風，所述方法包括建立坐標系，所述坐標系的原點與所述正三角形的重心重合，三個麥克風中的第一麥 克風位于坐標系的縱軸上；將正三角形的重心與正三角形的三個頂點連接并延長，從而將以所述正三角形的重心 為圓心的全圓周分為6個相等的區間；計算聲源分別到達三個麥克風中的第一麥克風、第二麥克風、第三麥克風的時間差； 將計算的時間差乘以音速，得到聲源到第二麥克風的距離與聲源到第一麥克風的距離 之間的第一距離差以及聲源到第三麥克風的距離與聲源到第一麥克風的距離之間的第二 距離差；根據第一距離差和第二距離差的符號以及第一距離差、第二距離差的絕對值大小比較 關系，初步確定聲源相對于正三角形重心的方位角Φ所落入的區間；采用0.618法對聲源與正三角形重心的距離R以及方位角Φ逼近優化點，獲得最終估 計的距離R和方位角Φ。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，計算所述時間差的步驟包括 對于所述三個麥克風中的任意兩個麥克風處的兩個聲音信號χ (η)和y (η)，定義互相 關函數
3.根據權利要求2所述的方法，其中，采用0.618法逼近優化點的步驟包括 對距離R取初始值，固定距離R的所述初始值，在初步確定的方位角Φ的范圍內，采用0.618法縮小優化點所在的區間，并逼近誤差最小的方位角Φ，直到兩次逼近的方位角Φ 的誤差變化小于預定閾值；固定逼近的方位角Φ，采用0. 618法縮小距離R的范圍，直到兩次逼近的距離R的誤差 變化小于另一預定閾值，得到逼近的距離R，由此獲得最終估計的距離R和方位角Φ。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，逼近的方位角Φ的步驟包括 (al)取方位角Φ為確定的區間的上限Sl乘以0. 618 ；(a2)根據三角形的邊角關系，利用方位角Φ以及距離R的初始值求出聲源到第一麥克 風、第二麥克風、第三麥克風的距離；(a3)將計算出的距離分別除以音速，計算聲源到達第一麥克風、第二麥克風、第三麥克 風的時間；(a4)計算聲源到達第二麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差t' bal，并計算聲源到 達第三麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差t' cal ；(a5)利用先前通過聲音信號的互相關值得到的聲源到達第二麥克風與聲源到達第一 麥克風的時間差tba以及聲源到達第三麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差t。a，計算誤 差 errorl = |tba-t' bal| + |tca_t' cal | ；(a6)取方位角Φ為上限Sl乘以(1-0. 618)，按照步驟(a2)至步驟(a5)計算誤差 error2= |tba-t' ba2| + |tca_t'。a2|，其中，t' ba2 和 t'。a2 分別是方位角 Φ 為上限 Sl 乘以 (1-0. 618)時計算的聲源到達第二麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差以及計算的聲源 到達第三麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差；(a7)如果|errorl-error2|大于預定閾值，并且errorl > error2，則確定方位角Φ 的范圍在確定的區間的下限S2與上限Sl乘以0.618之間；如果|errorl-error2|大于所 述預定閾值，并且errorl < error2，則確定方位角Φ的范圍在上限Sl乘以(1-0.618)與 上限Sl之間；(a8)根據再次確定的方位角Φ所落入的區間，重復上述步驟(al)至步驟(a7)，直到 errorl-error2小于所述預定閾值，最后所取的兩個方位角Φ之一或二者的平均值為最 終估計的方位角Φ。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，距離R的初始值以及零值確定一區間，逼近的距 離R的步驟包括(bl)取距離R為確定的區間上限S3乘以0. 618 ；(b2)根據三角形的邊角關系，利用最終估計的方位角Φ以及距離R求出聲源到第一麥 克風、第二麥克風、第三麥克風的距離R1、R2、R3 ；(b3)將計算出的距離分別除以音速，可以求得聲源到達第一麥克風、第二麥克風、第三 麥克風的時間；(b4)計算聲源到達第二麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差t' ba3，并計算聲源到 達第三麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差t' ca3；(b5)利用先前通過聲音信號的互相關值得到的聲源到達第二麥克風與聲源到達第一 麥克風的時間差tba以及聲源到達第三麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差t。a，計算誤 差 error3 = | tba_t ‘ ba31 +1 tca_t ‘ ca31 ；(b6)取距離R為上限S3乘以(1-0. 618)，按照步驟(b2)至步驟(b5)計算誤差errorf =|tba-t' ba4| + |tca-t' ca4|，其中，t' ba4和 t' ca4 分別是距離 R 為上限 S3 乘以(1-0.618) 時計算的聲源到達第二麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差以及計算的聲源到達第三 麥克風與聲源到達第一麥克風的時間差；(b7)如果I error3-error4 I大于另一預定閾值，并且error3 > error4，則確定距離R 的范圍在確定的區間的下限S4與上限S3乘以0. 618之間；如果I error3-error4 I大于所 述另一預定閾值，并且error3 < err or 4,則確定距離R的范圍在上限S3乘以(1-0. 618)與 上限S3之間；(b8)根據再次確定的距離R所落入的區間，重復上述步驟(bl)至步驟(b7)，直到 error3-error4小于所述另一預定閾值，最后所取的兩個距離R之一或二者的平均值為 最終估計的距離R。
6.一種使用麥克風陣列對聲源定位的方法，所述麥克風陣列為構成正三角形的三個麥 克風，所述方法包括建立坐標系，所述坐標系的原點與所述正三角形的重心重合，三個麥克風中的第一麥 克風位于坐標系的縱軸上；計算聲源分別到達三個麥克風中的第一麥克風、第二麥克風、第三麥克風的時間差；將計算的時間差乘以音速，得到聲源分別到達第一麥克風、第二麥克風、第三麥克風的距離差；根據三角形邊角關系建立關于聲源到各個麥克風的距離差的聯立方程組； 對聯立方程組中的任意兩個方程進行聯立求解，得到聲源與正三角形重心的距離R以 及聲源相對于正三角形重心的方位角Φ。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括對聯立方程組中的三組兩個不同的方程進行 聯立求解，分別求出方位角Φ和距離R的三組解，再取三組解的平均值作為方位角Φ和距 離R的估計值。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，計算所述時間差的步驟包括對于所述三個麥克風中的任意兩個麥克風處的兩個聲音信號x(n)和y (η)，定義互相 關函數
全文摘要
提供一種使用麥克風陣列對聲源定位的方法，三個麥克風構成正三角形，該方法包括建立坐標系，其原點與正三角形的重心重合，第一麥克風位于坐標系的縱軸上；將正三角形的重心與正三角形的三個頂點連接并延長，將全圓周分為6個相等的區間；計算聲源分別到達第一至第三麥克風的時間差；將時間差乘以音速，得到聲源到第二麥克風的距離與聲源到第一麥克風的距離之間的第一距離差以及聲源到第三麥克風的距離與聲源到第一麥克風的距離之間的第二距離差；根據第一和第二距離差的符號以及第一、第二距離差的絕對值大小比較關系，初步確定聲源相對于正三角形重心的方位角Φ所落入的區間；采用0.618法對聲源與正三角形重心的距離R以及方位角Φ逼近優化點。
文檔編號G01S5/22GK102033223SQ20101061108
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者羅倩, 范京 申請人:北京信息科技大學