[發明專利]近場聲源定位方法

無效

• 申請號: 201210231988.3
• 申請日: 2012-07-06
• 公開（公告）號: CN102736063A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 劉兆霆
• 申請（專利權）人: 紹興文理學院
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18
• 代理公司: 杭州裕陽專利事務所(普通合伙) 33221
• 代理人: 應圣義

1.一種近場聲源定位方法，用于估計近場聲源信號的DOA和信號源距離，包括：

步驟A：設置均勻線性陣列，

其中，所述均勻線性陣列由呈直線排列且間隔為Δ、數量為2M的陣元構成，所述陣元包括一對分別指向y軸和z軸的速度傳感器，所述y軸為線性陣列所在的軸線，所述z軸垂直于y軸，所述近場聲源位于y-z軸平面，所述速度傳感器可用于接收近場聲源信號并輸出該近場聲源信號的方位信息；

步驟B：建立信號模型，具體步驟如下：

①通過速度傳感器測得方位信息：

c_m，k＝[sinθ_m，k，cosθ_m，k]^T????????????????????(1)，

其中-π/2<θ_m，k≤π/2表示第k個近場源信號相對第m個陣元的DOA，設定第0個陣元作為參考陣元，并令c_k＝c_0，k和θ_k=θ_0，k；

②解調到中頻并抽樣，第k個近場聲源信號為其中s_k(t)表示信號的復幅度，ω_k＝2πf_k/f_samp，f_samp為采樣頻率，f_k≠f_l(k≠l)為信號的載波頻率；

③第m個陣元上的接收信號可表示為一個2維矢量：

xm(t)=Σk=1Ksk(t)ejωktcm,kejτm,k+nm(t)---(2),]]>

其中n_m(t)表示高斯噪聲矢量，τ_m，k≈γ_km+φ_km²為第i個信源在陣元m與參考陣元0之間的傳播時延，其中γ_k＝-2πΔsinθ_k/λ_k，φ_k＝πΔ²cos²θ_k/λ_kl_k，λ_k和l_k分別是第k個信號的波長和其到參考陣元的距離；

④將式(2)矩陣的形式轉換為：

z(t)＝As(t)+w(t)????????????????????????????????????(3)，

其中，

z(t)=[x-(M-1)T(t),...,x0T(t),x1T(t),...,xMT(t)]T∈C4M×1,]]>

s(t)=[s1(t)ejω1t,...,sK(t)ejωKt]T,]]>

w(t)=[n-(M-1)T(t),...,n0T(t),n1T(t),...,nMT(t)]T,E{w(t1)wH(t2)}=δ(t1-t2)I4M×4M,]]>

A＝[a₁，...，a_K]∈C^4M×K，

ak=[b-(M-1)kT,...,b0,kT,b1,kT,...,bM,kT]T,bm,k=cm,kejτm,k---(4);]]>

⑤定義l_m，k表示第k個近場源信號和第m個陣元之間的距離，并有l_k＝l_0，k獲得：

lk=|mΔsin(π/2-θm.k)sin(θm.k-θk)|=|mΔcosθm.ksin(θm.k-θk)|,]]>m＝-(M-1)，...，-1，0，1，...，M(5)；

步驟C：計算DOA和信號源距離的無模糊估記，具體步驟如下：

①采集陣列的N個快拍矢量z(t)，t＝1，...，N，估計協方差矩陣其中，通過特征值分解獲得其中ψ_k(k＝1，…，K)為的K個大特征值，它們對應的特征矢量為U_s的列向量；

②根據子空間算法，存在一個非奇異矩陣T滿足B＝U_sT，從而A＝U_s，1T和AΦ＝U_s，2T，即有：

其中U_s，1＝U_s(1：4M，K)，U_s，1＝U_s(1+4M：8M，K)，表示左偽逆；

③通過上述式(6)獲得信號的頻率估計和波長估計以及和的估計；

④依據步驟③獲得導向矩陣的估計：

A^=[a^1,...,a^K]=(U^s,1T^+U^s,2T^Φ^-1)/2---(7);]]>

⑤依據步驟④，結合式(4)和(1)的關系獲得近場聲源信號的DOA無模糊估計

θ^m,k=tan-1(b^m,k(1)/b^m,k(2))---(8),]]>

其中，(m＝-(M-1)，...，-1，0，1，...，M；k＝1，...，K)；

⑥結合以及式(5)得到近場聲源信號的信號源距離的無模糊估計

l^k=(Σm=-(M-1)-1|mΔcosθ^m.ksin(θ^m.k-θ^k)|+Σm=1M|mΔcosθ^m.ksin(θ^m.k-θ^k)|)/2M-1,(k=1,...,K)---(9);]]>

步驟D：計算DOA和信號源距離的模糊估計，具體步驟如下：

①先計算q_m，k的估計

q^m,k=1,m=0c^m,kTb^m,k/c^0,kTb^0,k,m≠0---(10),]]>

其中是利用式(8)的結果得到式(1)的估計，計算電子角α_k和β_k；

②利用陣列結構的對稱關系計算和的估計，由于

ej2(m-1)φ^k=q^m-M+1,kq^m-M,k*q^-(M-2),k*q^-(M-1),k=Δηk,m---(11),]]>

ej[2γ^k+2(m-1)φ^k]=q^m-M+1,kq^m-M,k*q^M-2,k*q^M-1,k=Δξk,m---(12),]]>

并且γ^k=-2πΔsinθ^k/λ^k,]]>φ^k=πΔ2cos2θ^k/λ^kl^k,]]>因此可以得到

ej4πΔsinθ^k/λ^k=12M-1Σm=12M-1ηk,m/ξk,m=Δαk---(13),]]>

ej2πΔ2cos2θ^k/λ^kl^k=14M-4Σm=12M-2(ηk,m+1/ηk,m+ξk,m+1/ξk,m)/2=Δβk---(14);]]>

③根據上述計算結果以及獲得DOA的模糊估計

以及信號源距離的模糊估記

其中和分別表示利用式(8)和(9)得到的DOA和距離的無模糊估計；

以DOA和信號源距離的無模糊估計為參考估計，獲得DOA和信號源距離的解模糊估計：

①令θ^k=θ^k(n0),l^k=l^k(i0);]]>

②獲得DOA的解模糊估計

θ^k=sin-1(λkarg(αk)4πΔ+λk2Δn0),n0=argminn|θ^k(n)-θ^kref|---(17),]]>

以及信號源距離的解模糊估計

l^k=2πΔ2cos2θ^krefλkarg(βk)+2i0πλk,i0=argmini|l^k(i)-l^kref|---(18).]]>