CN108680901A - 一种新型的声源方位定位方法 - Google Patents

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杨旭
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Abstract

本发明公开了一种新型的声源方位定位方法，利用声源方位估计算法进行声源方位定位。建立四元传声器阵列，将声源方位估计算法引入到阵列模型中，在正演数据的基础上进行声源方位数据反演。仿真结果表明：该新型算法定位精度较高，误差较低，分别比传统的直三棱锥式声源方位定位算法的水平偏角和仰角误差降低了大约10％、1％，具有较好的效果。

Description

一种新型的声源方位定位方法
技术领域
本发明涉及一种声源方位估计方法，特别涉及一种新型的声源方位定位方法，属于声源定位领域。
背景技术
声源方位定位是指对空间内的声源进行位置和角度数据的确定。声源方位估计算法是根据时延估计值得到的关于声源位置的定位方程组，该定位方程组为非线性方程组。声源定位技术是一种通过釆集声源声音信号并对其进行处理，再根据相关算法确定被接受的信号相对于接受传感器来自什么方向和距离是多少，最后得到所接收声源的三维位置的被动声定位技术，有着较为广阔的应用前景。
具有代表性的是中国电子科技集团第三研究所研制并开发出的声源定位***，该***是由麦克风阵列和信号处理单元组成，其中信号处理单元是一个独立的包装，可以对麦克风阵列接收的信息进行相关算法的分析，测量声源的方位角、俯仰角和距离等信息。该***的测量范围为0°到360°，有效作用距离1000米，方位角误差±3°，俯仰角误差±6°，距离误差10％到30％。
我国的声源定位***研究还处于萌芽阶段，各种理论算法不够完善，软硬件的配置也不够高级，这还需要各领域的学者们进一步的学习和研究，使得我国的声源定位***研究能够快速发展。
发明内容
为解决传统的基于直三棱锥式声源方位定位精度较低的问题，本发明提供一种新型的声源方位定位方法，将声源方位估计算法运用到声源方位定位中，建立传声器阵列来模拟空间中声源的存在进行定位研究，以提高声源方位定位的水平。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种新型的声源方位定位方法，该方法通过构建四元传声器阵列，反演声源位置；所述四元传声器阵列包括第一至第四传声器，以四元传声器阵列的阵元中心为坐标原点，设各传声器到坐标原点的距离均为第一至第四传声器的坐标分别为 反演得到声源的坐标(x,y,z)：z＝rcosθ，为水平偏角，θ为仰角，其中，t21为声源传播到第二、第一传声器的相对时延值，t31为声源传播到第三、第一传声器的相对时延值，t41为声源传播到第四、第一传声器的相对时延值，c为声源传播速度。
作为本发明的进一步技术方案，声源到阵元中心的距离
作为本发明的进一步技术方案，t21＝t2-t1，t1、t2分别为声源传播到第一、第二传声器的时间。
作为本发明的进一步技术方案，t41＝t4-t1，t1、t4分别为声源传播到第一、第四传声器的时间。
作为本发明的进一步技术方案，t31＝t3-t1，t1、t3分别为声源传播到第一、第三传声器的时间。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1)弥补传统的基于直三棱锥式的声源方位定位算法的缺陷，通过利用声源方位估计算法运算量较低、定位精度较高的优点，有效解决了基于直三棱锥式声源方位定位算法定位精度较低的问题，增强了声源方位定位的时效性与精确性；
2)采用声源到达传声器的相对时间差，从算法上大大减小声音在传播过程中由于衰减和外界干扰对声源方位定位精度的影响；
3)新型的基于四元传声器阵列的声源方位定位算法能有效地对声源进行方位定位，达到了运算量较低、定位精度较高的效果，足以表明该声源方位估计算法是非常有效的。
附图说明
图1是四元传声器阵列模型；
图2是传统的直三棱锥式阵列模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明的一种新型的声源方位定位方法，建立四元传声器阵列，利用声源方位估计算法，在正演数据的基础上进行声源方位数据反演，进行声源方位定位。
本发明通过构建如图1所示的四元传声器阵列，反演声源位置。声源传播速度为c，以四元传声器阵列的阵元中心为坐标原点(0,0,0)，设各传声器到坐标原点的距离均为(d的取值根据四元传声器阵列的实际构建确定)，四个传声器A、B、C、D的坐标分别为 假设声源N的空间坐标为(x,y,z)，水平偏角为仰角为θ，r为声源到四元传声器阵列的阵元中心的距离。声源N传播到传声器A、B、C、D的时间分别为t1、t2、t3、t4，r1为声源到传声器A的距离。设定3组相对时延值：t21＝t2-t1，t31＝t3-t1，t41＝t4-t1，其对应的声程差为：d21＝ct21、d31＝ct31、d41＝ct41。
声源N到原点、传声器A、B、C、D的距离分别用式(1)至(5)表示：
x2+y2+z2＝r2 (1)
式(3)、(4)、(5)分别减去式(2)，可得出：
xd-yd＝2r1d21+d21 2 (6)
2xd＝2r1d31+d31 2 (7)
xd+yd＝2r1d41+d41 2 (8)
根据式(7)可得出：
式(8)减去式(6)可得出：
式(6)加上式(8)再减去式(7)可得出：
将直角坐标系下声源N的位置坐标(x,y,z)用球面坐标系下的位置坐标表示，可得出：
z＝rcosθ (14)
式(13)除以式(12)可得出：
由于ri＞＞di1，d≈di1，i＝1,2,3，所以：
式(1)减去式(2)并将式(9)代入，可得出：
由式(17)可得出：
根据图1，可得出：
将式(9)、(10)、(11)代入式(19)，可得出：
用d21＝ct21,d31＝ct31,d41＝ct41对式(16)、(18)、(20)进行代换，可得出：
如图2所示的传统直三棱锥式阵列模型，声源传播速度为c，假设声源M的空间位置为(x',y',z')，S为声源M到原点(0,0,0,)的距离。直三棱锥式阵列中的四个传声器A’、B’、C’、D’的坐标分别为(0,0,0)、(d',0,0)、(0,d',0)、(0,0,d')，声源M传播到传声器A’、B’、C’、D’的时间分别为t0'、t1'、t2'、t3'，设定3组相对时延值：Δt1＝t1'-t0'，Δt2＝t2'-t0',Δt3＝t3'-t0'。将声源M与X轴正半轴的夹角定义为水平偏角将声源M与X-Y-O平面的夹角定义为仰角θ'。
令S1＝cΔt1，S2＝cΔt2，S3＝cΔt3，表示出声源M到传声器A、B、C、D距离的几何等式，可得出：
x'2+y'2+z'2＝S2 (24)
(x'-d')2+y'2+z'2＝(S+S1)2 (25)
x'2+(y'-d')2+z'2＝(S+S2)2 (26)
x'2+y'2+(z'-d')2＝(S+S3)2 (27)
式(24)减去式(25)，可得出：
其中，xx'为声源坐标正演值参数x'对应的仿真值。
式(24)减去式(26)，可得出：
其中，yy'为声源坐标正演值参数y'对应的仿真值。
式(24)减去式(27)，可得出：
其中，zz'为声源坐标正演值参数z'对应的仿真值。
将直角坐标系下声源M的位置坐标(x',y',z')用球面坐标系下的位置坐标表示有：
zz'＝S·cosθ' (33)
式(32)除以式(31)可得出：
其中，为水平偏角正演值对应的仿真值。
由于Si≈d,i＝1,2,3，可以近似得出：
其中，θ”为仰角正演值θ'对应的仿真值。
此外，下面通过仿真比较初始声源位置与仿真所得位置，可以分析误差来评价本发明方法对声源定位的效果，如表1和表2所示。仿真结果表明：本发明的新型算法定位精度较高，误差较低，分别比传统的直三棱锥式声源方位定位算法的水平偏角和仰角误差降低了大约10％、1％，具有较好的效果。
表1新型的基于四元传声器阵列的声源方位定位算法仿真结果表
表2传统的基于直三棱锥式阵列的声源方位定位算法仿真结果表
本发明首先基于传声器阵列进行建模，以模拟空间声源的存在；继而利用声源方位估计算法结合模型进行公式推导；通过将反演结果与起始声源数据进行对比，最终进行误差分析。仿真数据表明，与传统的基于直三棱锥式声源方位定位算法相比，其误差大大降低，能有效的解决传统的基于直三棱锥式的声源方位定位算法定位精度较低的问题，提高了声源方位定位的精确性与时效性。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种新型的声源方位定位方法，其特征在于，该方法通过构建四元传声器阵列，反演声源位置；所述四元传声器阵列包括第一至第四传声器，以四元传声器阵列的阵元中心为坐标原点，设各传声器到坐标原点的距离均为则第一至第四传声器的坐标分别为 反演得到声源的坐标(x,y,z)：z＝rcosθ，为水平偏角，θ为仰角，其中，t21为声源传播到第二、第一传声器的相对时延值，t31为声源传播到第三、第一传声器的相对时延值，t41为声源传播到第四、第一传声器的相对时延值，c为声源传播速度,。
2.根据权利要求1所述的一种新型的声源方位定位方法，其特征在于，声源到阵元中心的距离
3.根据权利要求1所述的一种新型的声源方位定位方法，其特征在于，t21＝t2-t1，t1、t2分别为声源传播到第一、第二传声器的时间。
4.根据权利要求1所述的一种新型的声源方位定位方法，其特征在于，t41＝t4-t1，t1、t4分别为声源传播到第一、第四传声器的时间。
5.根据权利要求1所述的一种新型的声源方位定位方法，其特征在于，t31＝t3-t1，t1、t3分别为声源传播到第一、第三传声器的时间。
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