CN103064061B - 三维空间声源定位方法 - Google Patents

Abstract

三维空间声源定位方法，是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法，用小型麦克风阵列采集一段时间的目标声源信号，使用互相关的算法计算其中各个麦克风之间的时间差，把该时间差代入方位角度和仰角的计算公式得出目标声源的方位角度和仰角，然后将该小型麦克风阵列沿着一定的方位角度移动一段距离，重复上述操作，得出此时目标声源的方位角度和仰角，通过对目标声源的两次的方位角和仰角的测量，计算出声源目标的距离。本发明方法所采用的测量声源目标的方法为被动法，测量过程中小型麦克风阵列进行了移动，克服了现有技术的测量声源目标距离精度低和采用主动法来测量声源目标距离成本高并不安全的缺点。

Description

三维空间声源定位方法

技术领域

本发明的技术方案涉及应用声波通过确定多个方向的配合来定位的装置，具体地说是三维空间声源定位方法。

背景技术

现今，随着仿生技术应用领域的不断扩展，基于传声器阵列的听觉感知技术已逐渐成为移动机器人导航、语音信号增强以及水下目标感知等众多研究领域的重要课题。可以说，听觉是新一代智能机器人的重要标志之一，是实现“人-机-环境”交互的重要手段。由于声音具有绕过障碍物的特性，在多信息采集***中听觉可以与视觉相配合，从而弥补视觉的视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限。另外，在“听觉场景”内不仅能定位声源目标，还可以通过现代信号处理技术得到更有价值的信息。因此，设计高精度的声源定位装置在医疗、服务和军事领域具有重要的理论意义和应用价值。

现有技术中的麦克风声源定位装置和方法只能定位声源方向角度，不能准确定位距离。例如，CN201010191634.1公开的“一种声源定位装置”，所采用的定位空间声源的方法为：采集一段声源目标信号，然后通过上述装置和其定位计算方法可以得到各个传声器之间的时间差，根据时间差和阵列几何模型计算出方向角、仰角、和距离。此方法计算出的方向角和仰角精度挺高，但是距离的精度就较差。该专利技术中使用的测量距离方法为被动法，并且此方法整体测量过程中，麦克风阵列没有发生移动。此现有技术的缺点是定位距离的精度不够高。文献“基于正棱锥阵的目标定位***”（东南大学学报第25卷第5期）中提到的声源定位方法为：采集一段声源目标信号，然后通过上述***和算法可以得到各个传声器之间的时间差，然后根据时间差和阵列几何模型只能计算出方向角和仰角，而此时没有计算出距离。而这篇文章中距离的测量方法为：在阵列中心设置一个可以发射声音的装置，当声音发射出去后，到达声源目标时会被反射回来，此时阵列接收到声音，根据发射声音时和接收到反射回来声音时这两个时刻的时间差，计算出声源目标的距离。这篇文章使用的测量距离方法为主动法，在测量距离的过程中，阵列也没有发生移动。此方法的缺点在于使用主动法来测量距离，这样就需要额外附加发射声音的设备，增加了***的成本。此外如果用在军事方面还有安全隐患，例如用在潜艇探测上，这时使用主动法时需要发射声音信号，此信号容易被对方发现并收到，从而暴露了自己，产生安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供三维空间声源定位方法，是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法。本发明方法所采用的测量声源目标的方法为被动法，测量过程中小型麦克风阵列进行了移动，克服了现有技术的测量声源目标距离精度低和采用主动法来测量声源目标距离成本高并不安全的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：三维空间声源定位方法，是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法，

A.该方法所用的装置

包括小型麦克风阵列、供电调理设备、数据采集卡和上位机，其中小型麦克风阵列由四个独立且特性相同的麦克风分别位于正四面体的四个顶点构成，上位机中包括时延计算模型、方位角计算模型、仰角计算模型以及距离计算模型；每个麦克风和供电调理设备需要一条BNC接头的数据线相连接，供电调理设备通过4条BNC接头的数据线和整个麦克风阵列相连接以为后者供电，供电调理设备还通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡相连接，数据采集卡和上位机通过一条usb数据线连接；

B.用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是：

三维空间声源定位包括确定声源目标的方位角B、仰角F、声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D，

第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

小型麦克风阵列为正四面体，设正四面体底面的中心为坐标原点O，坐标原点O正前方位置的麦克风为S1，坐标原点O右边位置的麦克风为S2，坐标原点O左边位置的麦克风为S3，坐标原点O上方位置的麦克风为S4，

（1）由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计

在一个根据测定环境条件选定的位置，用小型麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正四面体的四个顶点的四个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t)   （1）

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延，

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

$G_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=X_1\left(\mathrm{\ω}\right){X_2}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

其互相关函数为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\ω}---\left(3\right)$

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是时延值t₂₁，用同样的方法可以计算出时延值t₃₁和t₄₁，最终得出麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

设Q为声源目标点，坐标为Q(x,y,z)，坐标原点O到声源目标点Q的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ′，定义OQ′与X轴的夹角为α，OQ与Z轴的夹角为β，假设S1到坐标原点O的距离为a，则四个麦克风的坐标分别为：S₁＝(a,0,0)、 $S_2=(-a/2,\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_3=(-a/2,-\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_4=(\mathrm{0,0},\sqrt{2}a),$

从上述（1）得到声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁，

这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\α}\≈\arctan \sqrt{3}\frac{t_{31}-t_{21}}{t_{21}+t_{31}}---\left(4\right)$

上述公式（4）计算得出的α的角度不一定在规定方位角范围内，是因为象限的问题，公式（4）Arctan计算的结果范围为-90度到90度，而所需要的规定方位角结果范围为-180度到180度,这就需要进行分象限处理，经由如下的方位角象限处理过程，得出第一次测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A为：

当计算结果α＞0时，并且t₃₁>0时，方位角A=α，

当计算结果α＞0时，并且t₃₁<0时，方位角A=-180+α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁>0时，方位角A=α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁<0时，方位角A=180+α，

这时得出声源的仰角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\mathrm{arccot}\frac{t_{21}+t_{31}-{3t}_{41}}{2\sqrt{2}\sqrt{t_{21}^2+t_{31}^2-t_{21}{t}_{31}}}---\left(5\right),$

上述公式（5）计算得出β的角度不一定在规定仰角范围内，是因为象限的问题，公式（5）Arccot计算的结果范围为-90度到90度，而需要的规定仰角结果范围为0度到180度，根据计算的几何模型，这里进行分象限处理，经由如下的仰角象限处理过程，得出第一次测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的仰角E为：

当计算结果β＞0时，仰角E=β，

当计算结果β＜0时，仰角E=180+β，

第二步，移动小型麦克风阵列

在第一步完成之后，通过移动机器人原地顺时针转动χ-A度实现将小型麦克风阵列顺时针转动χ-A度，0度＜χ＜180度，再将小型麦克风阵列沿阵列方位角度0度方向也即移动机器人正前方向前移动距离L；

第三步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

在第二步操作完成后，在小型麦克风阵列移动后到达的位置上，重复同第一步的操作和计算，结果是，

（1）由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计

最终得出麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

得出第二次测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B为：

当计算结果α＞0时，并且t₃₁>0时，方位角B=α，

当计算结果α＞0时，并且t₃₁<0时，方位角B=-180+α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁>0时，方位角B=α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁<0时，方位角B=180+α，

得出第二次测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的仰角F为：

当计算结果β＞0时，仰角F=β，

当计算结果β＜0时，仰角F=180+β，

第四步，计算出声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离

由上位机中的距离计算模型计算出声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，计算公式为：

d₂＝L*sin(χ)/sin(180-χ-δ)   （6）

d₂为声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，小型麦克风阵列2的移动方向的反方向O₂O₁和小型麦克风阵列2移动后的声源目标3的方向O₂Z的夹角为δ，也即δ=180-B；

第五步，计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离

由上位机中的距离计算模型计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离，计算公式为：

D＝d₂/sin(F)   （7）

D为声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离；

第六步，三维空间声源定位数据的显示输出

通过计算机的外设，即显示器显示或者通过网卡输出到别的电脑上显示输出声源目标的方位角B、声源目标的仰角F、声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D，由此完成三维空间声源定位。

上述三维空间声源定位方法，所述小型麦克风阵列的正四面体的底面外接圆半径为10厘米。

上述三维空间声源定位方法，所述上位机中使用软件是matlab。

上述三维空间声源定位方法，所述L的范围优选为0.5～1.5m。

上述三维空间声源定位方法，所述χ的范围优选为45度～135度。

上述三维空间声源定位方法，所述移动小型麦克风阵列是由人工带着小型麦克风阵列进行移动或由移动机器人带着小型麦克风阵列进行移动。

上述三维空间声源定位方法，所用麦克风是北京声望声电技术有限公司生产的MPA201传声器，由四个此麦克风构成MPA201传声器阵列；供电调理设备是北京声望公司生产的传声器供电调理设备MC104；数据采集卡是美国国家仪器设备（NI）生产的NI9215A数据采集卡，上位机是一般的PC机，上位机安装了NIDAQ驱动后，就可以编写Matlab程序，读取NI数据采集卡采集到的数据，还能够使用matlab的滤波函数实现滤波。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明三维空间声源定位方法突出的实质性特点是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位，即采用小型麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的声源目标信号，进行时间差计算后得出声源目标的第一次方位角度和仰角，此后该小型麦克风阵列沿着一定的方位移动一段距离，然后再次采集一段时间为10ms～30ms的声源目标信号，进行时间差计算后再得出声源目标的第二次方位角度和仰角，通过声源目标的两次的方位角和仰角的测量以及该小型麦克风阵列移动的方位角和移动的距离就可以计算出声源目标的距离，从而完成三维空间声源定位。

与现有技术相比，本发明三维空间声源定位方法显著的进步在于，计算量小，精度高，能在三维空间中准确的定位声源目标，本发明方法所采用的测量声源目标的方法为被动法，测量过程中小型麦克风阵列进行了移动，克服了现有技术采用主动法来测量声源目标距离成本高并不安全的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明方法所用的装置的构成及构成各部分连接方式示意框图。

图2是本发明方法所用的装置中的小型麦克风阵列构成示意图。

图3是本发明方法的计算声源目标的方位角、仰角和距离的算法原理图。

图4是本发明方法的计算声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的水平距离的计算原理图。

图中，1.麦克风，2.小型麦克风阵列，3.声源目标。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明方法所用的装置包括小型麦克风阵列、供电调理设备、数据采集卡和上位机，其中小型麦克风阵列由四个独立且特性相同的麦克风分别位于正四面体的四个顶点构成；供电调理设备通过4条BNC接头的数据线和整个麦克风阵列相连接，供电调理设备还通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡相连接，数据采集卡和上位机通过一条USB数据线连接，供电调理设备通过导线与220v交流电源连接。

图2所示实施例表明，本发明三维空间声源定位方法所用的装置中的小型麦克风阵列2是由四个独立且特性相同的麦克风1分别位于正四面体的四个顶点构成。

图3所示实施例表明，本发明方法的计算声源目标方位角度、仰角和距离的算法原理是：

小型麦克风阵列为正四面体，S1、S2、S3、S4分别为四个麦克风，O既为坐标原点，同时也是正四面体底面的中心，设Q为声源目标点，坐标为Q(x,y,z)，坐标原点O到声源目标点Q的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ′，定义OQ′与X轴的夹角为α，OQ与Z轴的夹角为β，假设S1到坐标原点O的距离为a，则四个麦克风的坐标分别为：S₁＝(a,0,0)、 $S_2=(-a/2,\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_3=(-a/2,-\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_4=(\mathrm{0,0},\sqrt{2}a),$

声音信号到达麦克风S2、S3和S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁，这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\&alpha;}\&ap;\arctan \sqrt{3}\frac{t_{31}-t_{21}}{t_{21}+t_{31}}$

由于本发明方法中要进行小型麦克风阵列移动前后的两次方位角的测量，每次测量都是用了上面的方位角公示进行计算方位角的，第一次计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A，第二次计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B。α是方位角的统称。α与方位角A或B的关系如下：

当计算结果α＞0时，并且t₃₁>0时，方位角A或B=α

当计算结果α＞0时，并且t₃₁<0时，方位角A或B=-180+α

当计算结果α＜0时，并且t₂₁>0时，方位角A或B=α

当计算结果α＜0时，并且t₂₁<0时，方位角A或B=180+α

这时得出声源的仰角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\mathrm{arccot}\frac{t_{21}+t_{31}-{3t}_{41}}{2\sqrt{2}\sqrt{t_{21}^2+t_{31}^2-t_{21}{t}_{31}}}$

由于本发明方法中要进行小型麦克风阵列移动前后的两次仰角的测量，每次测量都是用了上面的仰角公示进行计算仰角的，第一次计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的仰角E，第二次计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动后的仰角F。β是仰角的统称。β与仰角E或F的关系如下：

当计算结果β＞0时，仰角E或仰角F=β。

当计算结果β＜0时，仰角E或仰角F=180+β。

距离计算公式：

r＝OQ′/sin(β)

r是声源目标到麦克风阵列底面的中心点的距离的统称。由于本发明方法中要进行小型麦克风阵列移动，前后有两次声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的水平距离和两次声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离，其中，在小型麦克风阵列移动后声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的水平距离用d₂来表示，在小型麦克风阵列移动后声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离用字母D来表示。

由此得出测定声源目标3的方位角度α、仰角β和在小型麦克风阵列2移动后的小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点O₂与声源目标3在正四面体底面的所在平面的投影Z之间的距离为d₂，在小型麦克风阵列2移动后的小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点O₂与声源目标3之间的距离为D。

图4所示实施例表明，本发明方法的计算声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的水平距离的计算原理是：

该图中O₁是小型麦克风阵列2未移动时的小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点，O₂为小型麦克风阵列2移动距离L后小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点，Z为声源目标3在正四面体底面的所在平面的投影。黑色箭头代表小型麦克风阵列2的方位角0度的方向，O₁处黑色箭头与O₁Z的夹角为A，O₂处黑色箭头与O₂Z的夹角为B。

在小型麦克风阵列2未移动时的小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点O₁与声源目标3在正四面体底面的所在平面的投影Z之间的距离为d₁，在小型麦克风阵列2移动后的小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点O₂与声源目标3在正四面体底面的所在平面的投影Z之间的距离为d₂，小型麦克风阵列2所移动的距离为L，小型麦克风阵列2的移动方向O₁O₂与小型麦克风阵列2未移动前的声源目标3的方向O₁Z的夹角为χ，小型麦克风阵列2的移动方向的反方向O₂O₁和小型麦克风阵列2移动后的声源目标3的方向O₂Z的夹角为δ，按以下计算公式计算移动后的小型麦克风阵列2的正四面体的底面的中心点O₂与声源目标3在正四面体底面的所在平面的投影Z之间的距离d₂为：

d₂＝L*sin(χ)/sin(180-χ-δ)

实施例1

A.本实施例所用的装置

包括小型麦克风阵列MPA201传声器阵列、供电调理设备MC104、NI9215A数据采集卡和安装了NIDAQ驱动后的PC机，该小型麦克风阵列为底面外接圆半径为10厘米的正四面体，所用麦克风是北京声望声电技术有限公司生产的MPA201传声器，上位机中使用软件matlab，上位机中主要包括时延计算模型、方位角度计算模型、仰角计算模型和距离计算模型；每个麦克风和供电调理设备需要一条BNC接头的数据线相连接，供电调理设备通过4条BNC接头的数据线和整个麦克风阵列相连接以为后者供电，供电调理设备还通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡相连接，数据采集卡和上位机通过一条USB数据线连接。

B.本实施用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是：

三维空间声源定位包括确定声源目标的方位角B、仰角F、声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D，

第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

小型麦克风阵列为正四面体，设正四面体底面的中心为坐标原点O，坐标原点O正前方位置的麦克风为S1，坐标原点O右边位置的麦克风为S2，坐标原点O左边位置的麦克风为S3，坐标原点O上方位置的麦克风为S4，

（1）由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计

在一个根据测定环境条件选定的位置，用小型麦克风阵列采集一段时间为10ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正四面体的四个顶点的四个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t)   （1）

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延，

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

$G_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=X_1\left(\mathrm{\&omega;}\right){X_2}^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)---\left(2\right)$

其互相关函数为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)e^{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}\mathrm{d\&omega;}---\left(3\right)$

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是时延值t₂₁，用同样的方法可以计算出时延值t₃₁和t₄₁；

所得相对的时延估计的结果是：麦克风S2相对于麦克风S1的时间差为29，麦克风S3相对于麦克风S1的时间差为49，麦克风S4相对于麦克风1的时间差为28。

由于采集卡为100k，因此这里的29代表的实际时间为29个采样周期，即为29*10^-5秒；这里的49代表的实际时间为49个采样周期，即为49*10^-5秒；这里的28代表的实际时间为28个采样周期，即为28*10^-5秒。

得出为麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁＝29，t₃₁＝49，t₄₁＝28；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

麦克风阵列为正四面体，设S1、S2、S3、S4分别为四个麦克风，O既为坐标原点，同时也是正四面体底面的中心，设Q为声源目标点，坐标为Q(x,y,z)，坐标原点O到声源目标点Q的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ′，定义OQ′与X轴的夹角为α，OQ与Z轴的夹角为β，假设S1到坐标原点O的距离为a，则四个麦克风的坐标分别为：S₁＝(a,0,0)、 $S_2=(-a/2,\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_3=(-a/2,-\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_4=(\mathrm{0,0},\sqrt{2}a),$

从上述（1）得到声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁；

这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\&alpha;}\&ap;\arctan \sqrt{3}\frac{t_{31}-t_{21}}{t_{21}+t_{31}}---\left(4\right)$

计算得出α=29度，根据前面关于方位角分象限问题可得：A=29度。

这时得出仰角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\mathrm{arccot}\frac{t_{21}+t_{31}-{3t}_{41}}{2\sqrt{2}\sqrt{t_{21}^2+t_{31}^2-t_{21}{t}_{31}}}---\left(5\right)$

计算得出β=-87度，根据前面的关于仰角分象限问题可得：E=180+（-87）=93度，即仰角E为93度。

由此得出第一次测定声源目标所计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A=29度和计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的仰角E=93度；

第二步，移动小型麦克风阵列

在第一步完成之后，通过移动机器人原地顺时针转动90-29度实现将小型麦克风阵列顺时针转动90-29度，χ=90度，再将小型麦克风阵列沿阵列方位角度0度方向也即机器人正前方向前移动距离L=1米；

第三步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

在第二步操作完成后，在小型麦克风阵列到达的位置上，重复第一步的操作，

（1）由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计

所得相对的时延估计的结果是：麦克风S2相对于麦克风S1的时间差为-49，麦克风S3相对于麦克风S1的时间差为-13，麦克风S4相对于麦克风S1的时间差为-20。

由于采集卡为100k，因此这里的-49代表的实际时间为-49个采样周期，即为-49*10^-5秒；这里的-13代表的实际时间为-13个采样周期，即为-13*10^-5秒；这里的-20代表的实际时间为-20个采样周期，即为-20*10^-5秒。

得出麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁＝-49，t₃₁＝-13，t₄₁＝-20；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

得出第二次测定声源目标的结果是：

α=-45.1630度，声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B=180+（-45.1630）=-134.8370度；

β=-88.1577度，声源目标在小型麦克风阵列移动后的仰角F=180+（-88.1577）=91.8423度。

第四步，计算出声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离

计算公式为：

d₂＝L*sin(χ)/sin(180-χ-δ)   （6）

d₂为声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，小型麦克风阵列2的移动方向的反方向O₂O₁和小型麦克风阵列2移动后的声源目标3的方向O₂Z的夹角为δ，也即δ=180-B，代入上述所得数据得出声源距离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂为：

d₂＝1*sin(90)/sin(180-90-(180-134.837))=1.4183；

第五步，计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D

计算公式为：

D＝d₂/sin(F)   （7）

代入上述所得数据得出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D为：

D=1.4183/sin(91.8423)=1.4187

第六步，三维空间声源定位数据的显示输出

通过计算机的外设，即显示器显示或者通过网卡输出到别的电脑上显示输出本实施例三维空间声源定位的具体结果为：声源目标的方位角B=-134.8370度，声源目标的仰角F=91.8423度，声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂=1.4183和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D=1.4187，由此完成三维空间声源定位。

实施例2

A.该方法所用的装置

同实施例1。

B.本实施用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是：

此处同实施例1。

第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

此处同实施例1。

（1）除用小型麦克风阵列采集一段时间为20ms的目标声音信号之外，其他同实施例1。

所得相对的时延估计的结果是：麦克风S2相对于麦克风S1的时间差为36，麦克风S3相对于麦克风S1的时间差为49，麦克风S4相对于麦克风S1的时间差为28。

由于采集卡为100k，因此这里的36代表的实际时间为36个采样周期，即为36*10^-5秒；这里的49代表的实际时间为49个采样周期，即为49*10^-5秒；这里的28代表的实际时间为28个采样周期，即为28*10^-5秒。

得出麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁=36，t₃₁＝49，t₄₁＝28

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

此处同实施例1。

计算得出α=14.8370度，计算得出β=89.0786度；

由此得出第一次测定声源目标所计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A=14.8370度和计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的仰角E=89.0786度；

第二步，移动小型麦克风阵列

在第一步完成之后，通过移动机器人原地顺时针转动45-14.8370度实现将小型麦克风阵列顺时针转动45-14.8370度，χ=45度，再将小型麦克风阵列沿阵列方位角度0度方向也即机器人正前方向前移动距离L=0.5米；

第三步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

在第二步操作完成后，在小型麦克风阵列到达的位置上，重复第一步的操作，

（1）所得相对的时延估计的结果是：麦克风S2相对于麦克风S1的时间差为-45，麦克风S3相对于麦克风S1的时间差为-3，麦克风S4相对于麦克风S1的时间差为-17。

由于采集卡为100k，因此这里的-45代表的实际时间为-45个采样周期，即为-45*10^-5秒；这里的-3代表的实际时间为-3个采样周期，即为-3*10^-5秒；这里的-17代表的实际时间为-17个采样周期，即为-17*10^-5秒。

得出为麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁=-45，t₃₁=-3，t₄₁=-17；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

得出第二次测定声源目标的结果是：

α=-56.5820度，声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B=123.4180度；

β=88.6057度，声源目标在小型麦克风阵列移动后的仰角F=88.6057度。

第四步，计算出声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离

计算公式为：

d₂＝L*sin(χ)/sin(180-χ-δ)   （6）

d₂为声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，小型麦克风阵列2的移动方向的反方向O₂O₁和小型麦克风阵列2移动后的声源目标3的方向O₂Z的夹角为δ，也即δ=180-B，代入上述所得数据有声源距离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂为：

d₂＝0.5*sin(45)/sin(180-45-(180-123.4180))=0.3609；

第五步，计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D

计算公式为：

D＝d₂/sin(F)   （7）

代入上述所得数据得出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D为：

D=0.3609/sin(88.6057)=0.3610

第六步，三维空间声源定位数据的显示输出

通过计算机的外设，即显示器显示或者通过网卡输出到别的电脑上显示输出本实施例三维空间声源定位的具体结果为：声源目标的方位角B=123.4180度，声源目标的仰角F=88.6057度，声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂=0.3609和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D=0.3610，由此完成三维空间声源定位。

实施例3

B.本实施用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是：

此处同实施例1。

第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

此处同实施例1。

（1）除用小型麦克风阵列采集一段时间为30ms的目标声音信号之外，其他同实施例1。

所得相对的时延估计的结果是：麦克风S2相对于麦克风S1的时间差为39，麦克风S3相对于麦克风S1的时间差为47，麦克风S4相对于麦克风S1的时间差为28。

由于采集卡为100k，因此这里的39代表的实际时间为39个采样周期，即为39*10^-5秒；这里的47代表的实际时间为47个采样周期，即为47*10^-5秒；这里的28代表的实际时间为28个采样周期，即为28*10^-5秒。

得出为麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁=39，t₃₁=47，t₄₁＝28

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

此处同实施例1。

计算得出α=9.1529度，计算得出β=88.1403度，

由此得出第一次测定声源目标所计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A=9.1529度和计算得出声源目标在小型麦克风阵列移动前的仰角E=88.1403度；

第二步，移动小型麦克风阵列

在第一步完成之后，通过移动机器人原地顺时针转动135-9.1529度实现将小型麦克风阵列顺时针转动135-9.1529度，χ=135度，再将小型麦克风阵列沿阵列方位角度0度方向也即机器人正前方向前移动距离L=1.5米；

第三步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

在第二步操作完成后，在小型麦克风阵列到达的位置上，重复第一步的操作，

（1）所得相对的时延估计的结果是：麦克风S2相对于麦克风S1的时间差为-13，麦克风S3相对于麦克风S1的时间差为-9，麦克风S4相对于麦克风S1的时间差为-8。

由于采集卡为100k，因此这里的-13代表的实际时间为-13个采样周期，即为-13*10^-5秒；这里的-9代表的实际时间为-9个采样周期，即为-9*10^-5秒；这里的-8代表的实际时间为-8个采样周期，即为-8*10^-5秒。

得出为麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁=-13，t₃₁=-9，t₄₁=-8

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

得出第二次测定声源目标的结果是：

α=-17.4802度，声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B=162.5198度；

β=86.4914度，声源目标在小型麦克风阵列移动后的仰角F=86.4914度。

第四步，计算出声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离

计算公式为：

d₂＝L*sin(χ)/sin(180-χ-δ)   （6）

d₂为声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，小型麦克风阵列2的移动方向的反方向O₂O₁和小型麦克风阵列2移动后的声源目标3的方向O₂Z的夹角为δ，也即δ=180-B，代入上述所得数据有声源距离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂为：

d₂＝1.5*sin(135)/sin(180-135-(180-162.5198))=2.2955；

第五步，计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D

计算公式为：

D＝d₂/sin(F)   （7）

代入上述所得数据得出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D为：

D=2.2955/sin(86.4914)=2.2998

第六步，三维空间声源定位数据的显示输出

通过计算机的外设，即显示器显示或者通过网卡输出到别的电脑上显示输出本实施例三维空间声源定位的具体结果为：声源目标的方位角B=162.5198度，声源目标的仰角F=86.4914度，声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂=2.2955和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D=2.2998，由此完成三维空间声源定位。

上述所有实施例中所用的元器件均通过商购获得。

Claims (5)

1.三维空间声源定位方法，其特征在于：是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法，

A.该方法所用的装置

包括小型麦克风阵列、供电调理设备、数据采集卡和上位机，其中小型麦克风阵列由四个独立且特性相同的麦克风分别位于正四面体的四个顶点构成，上位机中包括时延计算模型、方位角计算模型、仰角计算模型以及距离计算模型；每个麦克风和供电调理设备需要一条BNC接头的数据线相连接，供电调理设备通过4条BNC接头的数据线和整个麦克风阵列相连接以为后者供电，供电调理设备还通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡相连接，数据采集卡和上位机通过一条usb数据线连接；

B.用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是：

三维空间声源定位包括确定声源目标的方位角B、仰角F、声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D，

第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

小型麦克风阵列为正四面体，设正四面体底面的中心为坐标原点O，坐标原点O正前方位置的麦克风为S1，坐标原点O右边位置的麦克风为S2，坐标原点O左边位置的麦克风为S3，坐标原点O上方位置的麦克风为S4，

（1）由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计

在一个根据测定环境条件选定的位置，用小型麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正四面体的四个顶点的四个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t)   （1）

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延，

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

$G_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=X_1\left(\mathrm{\&omega;}\right){X_2}^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)---\left(2\right)$

其互相关函数为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)e^{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}\mathrm{d\&omega;}---\left(3\right)$

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是时延值t₂₁，用同样的方法可以计算出时延值t₃₁和t₄₁，最终得出麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E

设Q为声源目标点，坐标为Q(x,y,z)，坐标原点O到声源目标点Q的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ′，定义OQ′与X轴的夹角为α，OQ与Z轴的夹角为β，假设S1到坐标原点O的距离为a，则四个麦克风的坐标分别为：S₁＝(a,0,0)、 $S_2=(-a/2,\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_3=(-a/2,-\sqrt{3}a/\mathrm{2,0}),$ $S_4=(\mathrm{0,0},\sqrt{2}a),$

从上述（1）得到声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁，

这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\&alpha;}\&ap;\arctan \sqrt{3}\frac{t_{31}-t_{21}}{t_{21}+t_{31}}---\left(4\right)$

上述公式（4）计算得出的α的角度不一定在规定方位角范围内，是因为象限的问题，公式（4）Arctan计算的结果范围为-90度到90度，而所需要的规定方位角结果范围为-180度到180度,这就需要进行分象限处理，经由如下的方位角象限处理过程，得出第一次测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A为：

当计算结果α＞0时，并且t₃₁>0时，方位角A=α，

当计算结果α＞0时，并且t₃₁<0时，方位角A=-180+α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁>0时，方位角A=α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁<0时，方位角A=180+α，

这时得出声源的仰角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\mathrm{arccot}\frac{t_{21}+t_{31}-{3t}_{41}}{2\sqrt{2}\sqrt{t_{21}^2+t_{31}^2-t_{21}{t}_{31}}}---\left(5\right),$

上述公式（5）计算得出β的角度不一定在规定仰角范围内，是因为象限的问题，公式（5）Arccot计算的结果范围为-90度到90度，而需要的规定仰角结果范围为0度到180度，根据计算的几何模型，这里进行分象限处理，经由如下的仰角象限处理过程，得出第一次测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的仰角E为：

当计算结果β＞0时，仰角E=β，

当计算结果β＜0时，仰角E=180+β，

第二步，移动小型麦克风阵列

在第一步完成之后，通过移动机器人原地顺时针转动χ-A度实现将小型麦克风阵列顺时针转动χ-A度，0度＜χ＜180度，再将小型麦克风阵列沿阵列方位角度0度方向也即移动机器人正前方向前移动距离L；

第三步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

在第二步操作完成后，在小型麦克风阵列移动后到达的位置上，重复同第一步的操作和计算，结果是，

（1）由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计

最终得出麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4与麦克风S1之间的时延值分别为：t₂₁、t₃₁、t₄₁；

（2）由上位机中的方位角计算模型和仰角计算模型进行计算声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B和在小型麦克风阵列移动后的仰角F

得出第二次测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的方位角B为：

当计算结果α＞0时，并且t₃₁>0时，方位角B=α，

当计算结果α＞0时，并且t₃₁<0时，方位角B=-180+α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁>0时，方位角B=α，

当计算结果α＜0时，并且t₂₁<0时，方位角B=180+α，

得出第二次测定声源目标在小型麦克风阵列移动后的仰角F为：

当计算结果β＞0时，仰角F=β，

当计算结果β＜0时，仰角F=180+β，

第四步，计算出声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离

由上位机中的距离计算模型计算出声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，计算公式为：

d₂＝L*sin(χ)/sin(180-χ-δ)   （6）

d₂为声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离，小型麦克风阵列2的移动方向的反方向O₂O₁和小型麦克风阵列2移动后的声源目标3的方向O₂Z的夹角为δ，也即δ=180-B；

第五步，计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离

由上位机中的距离计算模型计算出声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离，计算公式为：

D＝d₂/sin(F)   （7）

D为声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离；

第六步，三维空间声源定位数据的显示输出

通过计算机的外设，即显示器显示或者通过网卡输出到别的电脑上显示输出声源目标的方位角B、声源目标的仰角F、声源目标到麦克风阵列底面的中心点的水平距离d₂和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D，由此完成三维空间声源定位。

2.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于：所述小型麦克风阵列的正四面体的底面外接圆半径为10厘米。

3.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于：所述上位机中使用软件是matlab。

4.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于：所述L的范围为0.5～1.5m。

5.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于：所述χ的范围为45度～135度。

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