CN110596644A - 一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，该方法通过一个环形传声器阵列实现，该阵列的传声器个数为M，阵列与地面平行放置；所述方法包括：将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；获取在第q个空间位置第m个传声器采集到的频率分离信号；根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数；利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；根据获得的全局声场系数估计声源方位。本发明的方法通过移动一个环形传声器阵列，在远大于阵列孔径的空间范围内充分地采集声场信息，从而提高声源定位的性能。

Description

一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法及***

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，特别涉及一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法及***。

背景技术

声源定位在智能音箱、机器人、视频会议和安防等领域有着广泛应用。传统的阵元域声源定位方法分为间接和直接法两类。间接法首先计算声源到各阵元的相对时间延迟，然后根据阵列的几何形状来确定声源方位；直接法则需要计算一系列候选方位上的损失函数，据此估计最有可能的方位，根据损失函数可以分为可控响应功率法，最大似然方法和子空间类方法。

与阵元域方法的直接处理传声器数据不同，空间谐波域方法先对数据做空间谐波分解，在补偿频率依赖项之后，再对空间谐波域的数据进行处理。空间谐波域的导向矢量具有频率无关特性，这一特性能够简化频率聚焦操作(空间谐波域的聚焦可以通过样本协方差矩阵求和平均实现)，也能够实现低频的高分辨特性。

空间谐波域的方法目前可以用于两类的阵型结构：球形阵列和环形阵列，分别对应球谐波域和圆谐波域。本发明的声源定位方法属于圆谐波域方法。

圆谐波域声源定位方法的分辨率和鲁棒性受限于环形阵列的尺寸和阵元数量。增加阵列的尺寸和阵元数量能够有效的提高声源定位性能，但是这样做会导致：贝塞尔零点问题恶化、成本提高和***庞大笨重。因此，如何用小孔径和少阵元的环形阵列实现高性能的声源定位，是一个重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提出一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，该方法能够用极大地提升声源定位性能。

为实现上述发明目的，本发明提出一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，该方法通过一个环形传声器阵列实现，该阵列的传声器个数为M，阵列与地面平行放置；所述方法包括：

将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；获取在第q个空间位置第m个传声器采集到的频率分离信号；

根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数；

利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；

根据获得的全局声场系数估计声源方位。

作为上述方法的一种改进，所述根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数，具体包括：

步骤2-1)将频率分离信号X_q,m(k)表示为圆谐波展开的形式：

其中，k＝2πf/c为波数，f为频率，c为声速，α_q,n(k)为第q个空间位置的n阶声场系数，J_n为n阶第一类贝塞尔函数，e为自然底数，第m个传声器相对于第q个空间位置的极坐标表示为(r,φ_q,m)；传声器位于半经为r的圆上；

则X_q,m(k)截断为：

当截断阶次满足时，上式的截断误差小于16.1％；

步骤2-2)构造变换矩阵B_q(k),q＝1,...,Q，将式(2)写成矩阵形式：

x_q(k)＝B_q(k)α_q(k) (3)

其中为第q个空间位置的频域数据快拍；为第q个空间位置的声场系数矢量，变换矩阵具有如下形式：

步骤2-3)估计局部声场系数

使用最小二乘法对式(3)所示的方程进行求解。因此按照式(5)估计局部声场系数：

其中λ₁为正则化因子，为单位矩阵。

作为上述方法的一种改进，所述利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；具体包括：

步骤3-1)构建变换矩阵定义一个包含所有空间位置的最小环形区域为全局区域，全局区域的半径用R表示，区域中心即全局坐标原点；将全局声场在全局原点处做圆谐波展开能够得到全局声场系数其与局部声场系数存在如下关系：

其中变换系数具有如下形式：

其中(r_q,θ_q)是空间位置q相对于全局坐标原点的极坐标表示；将式(7)写成矩阵形式：

α(k)＝T(k)β(k)(8)

其中：

步骤3-2)使用最小二乘法求解式(8)能够求得全局声场系数为：

其中λ₂为正则化因子，

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)构建全局声场系数的样本协方差矩阵R_β：

其中，K为感兴趣的频率点数目；

步骤4-2)构建与频率无关的加权矢量

步骤4-3)改变加权矢量的指向方向估计方位谱

步骤4-4)将方位谱的峰值所在位置作为声源方位的估计。

本发明还提供了一种使用移动环形传声器阵列的声源定位***，所述***包括：

环形传声器阵列，包括M个传声器；将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；在第q个空间位置处第m个传声器采集到的时域信号；

短时傅里叶变换模块，用于对时域信号依次进行分帧、加窗和傅里叶变换，得到相应的频率分离信号；

局部声场系数估计模块，用于利用频率分离信号估计局部声场系数；

全局声场系数估计模块，用于利用局部声场系数估计全局声场系数；

声源定位模块，用于根据全局声场系数估计声源方位角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的方法通过移动一个环形传声器阵列，在远大于阵列孔径的空间范围内充分地采集声场信息，从而提高声源定位的性能；

2、本发明的方法具有较强的抗干扰能力，对阵元位置误差稳健；

3、使用本发明的方法，能够实现小孔径传声器阵列的低频高分辨率定位，在实际应用中，成本低、体积小且使用起来灵活方便；

4、本发明的声源定位方法能够实现：在远大于阵列孔径的空间范围内充分地采集声场信息，从而提高声源定位的性能，在低频的定位性能的提升尤为明显。

附图说明

图1为本发明的使用移动环形传声器阵列的结构示意图；

图2为本发明的声源定位***的示意图；

图3为移动环形传声器阵列的三个示例的示意图；

图4为本发明在频率为500Hz的空间谱估计结果示意图；

图5为阵元位置误差对本发明的定位性能的影响的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

本发明的实施例1提出了一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，具体步骤包括：

步骤1)采集频域分离信号X_q,m(k)；包括：

步骤1-1)如图1所示，设置一个环形传声器阵列，传声器个数为M＝9，传声器位于半经为r＝6cm的圆上，环形阵列与地面平行放置。将环形阵列依次移动至Q个不同的空间位置并进行测量。在第q个空间位置处，第m个传声器处采集到的时域信号为x_q,m(t)；q＝1,...,Q；m＝1,...,M；

步骤1-2)对时域信号x_q,m(t)依次进行分帧、加窗和傅里叶变换，得到相应的频率分离信号X_q,m(k)；

步骤2)估计局部声场系数

步骤2-1)构造变换矩阵B_q(k),q＝1,...,Q；

采集到的频率分离信号X_q,m(k)可以表示为圆谐波展开的形式：

其中k＝2πf/c为波数，f为频率，c为声速，α_q,n(k)为第q个空间位置的n阶声场系数，J_n为n阶第一类贝塞尔函数。如图1所示，(r，φ_q，m)为第m个传声器相对于空间位置o_q的极坐标表示。式(1)可以截断为：

其中截断阶次将式(2)写成矩阵形式：

x_q(k)＝B_q(k)α_q(k),q＝1,...,Q (3)

其中为步骤1)在q个空间位置采集到的频率分离信号构成的频域数据快拍，为q个空间位置的局部声场系数矢量，矩阵具有如下形式：

步骤2-2)估计局部声场系数

式(3)描述了Q个最小二乘问题。空间位置q的局部声场系数矢量可以按照式(5)估计得到：

其中λ₁为正则化因子，为单位矩阵。

步骤3)估计全局声场系数具体步骤如下：

步骤3-1)构建变换矩阵

如图1所示，全局区域的区域半径为R，区域中心为o。空间位置q的中心为o_q，相对于区域中心的极坐标表示为(r_q,θ_q)。建立局部声场系数与表征全局区域声场特性的全局声场系数β(k)之间的关系：

其中变换系数具有如下形式：

将式(7)写成矩阵形式：

α(k)＝T(k)β(k) (8)

其中：

步骤3-2)估计全局声场系数

使用最小二乘法对式(8)进行求解，全局声场系数矢量可以按照式(12)估计得到：

其中λ₂为正则化因子，为所述的步骤2)获得的局部声场系数估计值构成的矢量。

步骤4)估计声源方位角；

步骤4-1)按照式(13)构建全局声场系数的样本协方差矩阵

其中K为感兴趣的频率点数目。

步骤4-2)构建与频率无关的加权矢量

步骤4-3)按照式(15)估计方位谱；

步骤4-4)将方位谱的峰值所在位置作为声源方位的估计。

如图2所示，本发明的实施例2提出了一种声源定位***，包括：

环形传声器阵列，包括M个传声器；将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；在第q个空间位置处第m个传声器采集到的时域信号x_q,m(t)；

短时傅里叶变换模块101，用于对时域信号x_q,m(t)依次进行分帧、加窗和傅里叶变换，得到相应的频率分离信号X_q,m(k)；

局部声场系数估计模块102，用于利用频率分离信号估计局部声场系数；

全局声场系数估计模块103，用于利用局部声场系数估计全局声场系数；

声源定位模块104，用于根据全局声场系数估计声源方位角。

假设空间中存在两个相干平面波，频率为500Hz，入射角分别为60°和90°。按照图3所示的三种方式移动环形传声器阵列，移动半径R＝66cm，这三种方式分别标记为DUCA-L、DUCA-R和DUCA-C。按照上述实施方式对移动环形传声器阵列采集到的数据进行处理，可得如图4所示的归一化空间谱。可见三种移动方式均可以得到两个可区分的谱峰，这说明该方法定位低频相干信号的优异性能。

在实际应用中，环形传声器阵列相对位置的标定不可避免地存在着误差。假设每次对环形传声器阵列中心位置的标定存在±1cm的随机误差和±5°的旋转误差，归一化空间谱如图5所示。其中“match”表示不存在位置误差的估计结果，“mismatch”表示存在位置误差的估计结果。结果表明：本发明的方法对位置误差时稳健的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，该方法通过一个环形传声器阵列实现，该阵列的传声器个数为M，阵列与地面平行放置；所述方法包括：

将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；获取在第q个空间位置第m个传声器采集到的频率分离信号；

根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数；

利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；

根据获得的全局声场系数估计声源方位。

2.根据权利要求1所述的使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，其特征在于，所述根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数，具体包括：

步骤2-1)将频率分离信号X_q,m(k)表示为圆谐波展开的形式：

其中，k＝2πf/c为波数，f为频率，c为声速，α_q,n(k)为第q个空间位置的n阶声场系数，J_n为n阶第一类贝塞尔函数，e为自然底数，第m个传声器相对于第q个空间位置的极坐标表示为(r,φ_q,m)；传声器位于半经为r的圆上；

则X_q,m(k)截断为：

当截断阶次满足时，上式的截断误差小于16.1％；

步骤2-2)构造变换矩阵B_q(k),q＝1,...,Q，将式(2)写成矩阵形式：

x_q(k)＝B_q(k)α_q(k) (3)

其中为第q个空间位置的频域数据快拍；为第q个空间位置的声场系数矢量，变换矩阵具有如下形式：

步骤2-3)估计局部声场系数

使用最小二乘法对式(3)所示的方程进行求解；因此按照式(5)估计局部声场系数：

其中λ₁为正则化因子，为单位矩阵。

3.根据权利要求1所述的使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，其特征在于，所述利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；具体包括：

步骤3-1)构建变换矩阵定义一个包含所有空间位置的最小环形区域为全局区域，全局区域的半径用R表示，区域中心即全局坐标原点；将全局声场在全局原点处做圆谐波展开能够得到全局声场系数其与局部声场系数存在如下关系：

其中变换系数具有如下形式：

其中(r_q,θ_q)是空间位置q相对于全局坐标原点的极坐标表示；将式(7)写成矩阵形式：

α(k)＝T(k)β(k) (8)

其中：

步骤3-2)使用最小二乘法求解式(8)能够求得全局声场系数为：

其中λ₂为正则化因子，

4.根据权利要求1所述的使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)构建全局声场系数的样本协方差矩阵R_β：

其中，K为感兴趣的频率点数目；

步骤4-2)构建与频率无关的加权矢量

步骤4-3)改变加权矢量的指向方向估计方位谱

步骤4-4)将方位谱的峰值所在位置作为声源方位的估计。

5.一种使用移动环形传声器阵列的声源定位***，其特征在于，所述***包括：

环形传声器阵列，包括M个传声器；将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；在第q个空间位置处第m个传声器采集到的时域信号；

短时傅里叶变换模块，用于对时域信号依次进行分帧、加窗和傅里叶变换，得到相应的频率分离信号；

局部声场系数估计模块，用于利用频率分离信号估计局部声场系数；

全局声场系数估计模块，用于利用局部声场系数估计全局声场系数；

声源定位模块，用于根据全局声场系数估计声源方位角。