[發明專利]一種分布式麥克風陣列中麥克風位置估計系統

有效

• 申請號: 201310370093.2
• 申請日: 2013-08-21
• 公開（公告）號: CN103439689A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 陳喆;殷福亮;王舒文
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01S5/26
• 分類號: G01S5/26
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種分布式麥克風陣列中麥克風位置估計系統，其特征在于：包括聲源信號產生模塊（1）、揚聲器、參考麥克風（2）、多個待定位麥克風（4）以及多個麥克風位置估計模塊（3）；所述的聲源信號產生模塊（1）輸出端輸出信號經揚聲器轉換為聲音在分布式麥克風陣列的工作場地中播放；該聲音被參考麥克風（2）和待定位麥克風（4）所接收；參考麥克風（2）和待定位麥克風（4）接收的信號同時傳遞至與待定位麥克風（4）對應的麥克風位置估計模塊（3）；所述的麥克風位置估計模塊（3）的輸出端輸出待定位麥克風（4）的坐標；所述的待定位麥克風（4）與麥克風位置估計模塊（3）一一對應；

所述的聲源信號產生模塊（1）的工作方法包括以下步驟：

所述的聲源信號產生模塊（1）包括白噪聲發生器和帶通濾波器，白噪聲發生器產生白噪聲信號，所述的白噪聲信號通過三個通帶不同的帶通濾波器，產生三個不同頻帶的帶通信號，作為三個聲源的發聲信號，分別輸入置于分布式麥克風陣列工作場地中3個揚聲器；設三個帶通濾波器的單位脈沖響應分別為h_j(n)，j=1、2、3，分別對白噪聲發生器產生的白噪聲信號x(n)進行濾波，得到三個不同頻帶的帶通信號s_j(n)，j=1、2、3，

s_j(n)＝x(n)*h_j(n)，j=1、2、3

其中，符號“*”表示數字信號處理領域中的卷積運算；n表示信號x、單位脈沖響應h₁、h₂、h₃的各采樣值的序號;

所述的麥克風位置估計模塊（3）數量與待定位麥克風（4）的數量相同，每個麥克風位置估計模塊（3）的工作方式方法完全相同；第i個麥克風位置估計模塊（3）對應于第i個待定位麥克風（4），該模塊包括信號有效性檢測子模塊、參考麥克風（2）聲源信號分離子模塊、參考麥克風（2）子頻帶背景噪聲估計子模塊、待定位麥克風（4）聲源信號分離子模塊、待定位麥克風（4）子頻帶背景噪聲估計子模塊、距離粗估計子模塊、距離精估計子模塊和三角形質心計算子模塊；

所述的信號有效性檢測子模塊檢測輸入信號是否有效，并計算參考麥克風（2）接收到的信號s_r(n)每幀的短時能量E_r

Er=Σn=startstart+M-1sr2(n)]]>

其中，M表示幀長，start表示當前幀在原始接收信號序列s_r(n)中的起始位置；比較E_r與信號/噪聲判定閾值E_thr，若E_r<E_thr，判定當前幀為噪聲幀，否則，判定當前幀為信號幀；

當判定當前幀為噪聲幀時，估計背景噪聲能量E_min，更新有效性判定閾值E_thr；該閾值更新方法為

if?E_min＜E_r

E_min＝E_r

E_thr＝aE_min

end?if

其中，a為一個常數，a的取值范圍是1<a<100；

所述的參考麥克風（2）聲源信號分離子模塊利用與聲源信號產生模塊（1）中系數相同的三個帶通濾波器將三個聲源信號分離；這三個帶通濾波器的單位脈沖響應也為h_j(n)，j=1、2、3，對參考麥克風（2）接收信號s_r(n)分別進行濾波，得到三個不同頻帶的信號s_rj(n)，j=1、2、3，即

s_rj(n)=s_r(n)*h_j(n)，j=1、2、3

當判定當前幀為噪聲幀時，所述的參考麥克風（2）子頻帶背景噪聲估計子模塊分別估計三個子頻帶的能量E_rj，j=1、2、3，

Erj=Σn=startstart+M-1srj2(n),]]>j=1、2、3

將E_rj，j=1、2、3，與前一次參考麥克風（2）子頻帶背景噪聲能量估計結果ε_rj，old進行平滑，平滑結果作為當前的背景噪聲能量估計值ε_rj，curr，

ε_rj，curr＝(1-b)·ε_rj，old+b·E_rj，j＝1、2、3

其中，b為平滑因子，表示當前能量E_rj，j=1、2、3，在平滑時所占比重，b的取值范圍是0<b<1；

所述的待定位麥克風（4）聲源信號分離子模塊利用與聲源信號產生模塊（1）中系數相同的三個帶通濾波器將三個聲源信號分離；這三個帶通濾波器的單位脈沖響應也為h_j(n)，j=1、2、3，對待定位麥克風（4）接收信號s_i(n)分別進行濾波，得到三個不同頻帶的信號，即

s_ij(n)=s_i(n)*h_j(n)，j=1、2、3

當判定當前幀為噪聲幀時，所述的待定位麥克風（4）子頻帶背景噪聲估計子模塊分別估計三個子頻帶的能量E_ij，j=1、2、3，

Eij=Σn=startstart+M-1sij2(n),]]>j=1、2、3

再將E_ij，j=1、2、3，與前一次待定位麥克風（4）子頻帶背景噪聲能量估計結果ε_ij，old進行平滑，平滑結果作為當前的背景噪聲能量估計值ε_ij，curr，

εi_j，curr＝(1-b)·ε_ij，old+b·E_ij，j＝1、2、3

其中，b為平滑因子，表示當前能量E_ij，j=1、2、3，在平滑時所占比重，b的取值范圍是0<b<1；

所述的距離粗估計子模塊工作過程如下：

定義角標r表示參考麥克風（2），角標i表示第i個待定位麥克風（4），角標j表示第j個聲源(即第j個揚聲器，j=1、2、3)，d_ij表示第j個聲源與第i個待定位麥克風（4）之間的歐式距離，(x_r,y_r)和(x_j,y_j)分別表示參考麥克風（2）和第j個聲源的坐標，d_rj表示第j個聲源與參考麥克風（2）之間的歐式距離在麥克風增益已校準（即相同聲強下的麥克風輸出信號能量相同）的情況下，當判定當前幀為信號幀時，則第i個當前待定位麥克風（4）到第j個聲源的距離粗估計為

d~ij=drj·Erj(t)-ϵrj(t)Eij(t)-ϵij(t),]]>j=1、2、3

為提高后續距離精估計的準確度，將當前距離粗估計結果j=1、2、3，與前一次的平滑結果d_ij，old進行平滑，得到當前距離粗估計平滑結果d_ij，curr

dij,curr=(1-β)·dij,old+β·d~ij,]]>j=1、2、3

其中，β為平滑因子，表示當前距離粗估計結果在平滑過程中所占比重，β的取值范圍是0<β<1；

所述的距離精估計子模塊工作過程如下：

定義α_rj和α_ij分別為聲音從第j個聲源傳播到參考麥克風（2）與第i個待定位麥克風（4）的衰減因子，τ_rj和τ_ij分別為聲音從聲源j傳播到參考麥克風（2）與第i個待定位麥克風（4）的延遲時間，v_r(n)和v_i(n)分別為參考麥克風（2）與第i個待定位麥克風（4）處的背景噪聲，當判定當前幀為信號幀時，參考麥克風（2）與第i個待定位麥克風（4）接收到的來自于同一個聲源s_i的信號分別為

srj(n)=αrjsj(n-τrj)+vr(n)sij(n)=αijsj(n-τij)+vi(n),]]>j=1、2、3

通常，背景噪聲是均值為零的平穩噪聲，與信號互不相關，不同麥克風處背景噪聲也互不相關，則s_rj(n)和s_ij(n)的互相關函數R_rij(τ)表示為

j=1、2、3

距離精估計采用基于時延的測距方法，用較簡單的互相關法估計信號的延遲時間；對每一個可能的τ計算R_rij(τ)，搜索到最大值位置，得到信號到達第i個待定位麥克風（4）相對于參考麥克風（2）的延遲時間τ_rij，即

τrij=τrj-τij=argmaxτRrij(τ),]]>j=1、2、3

由于距離粗估計模塊已經估計出待定位麥克風（4）到各個聲源之間的粗略距離d_ij，curr，此時只需在粗距離附近一定范圍內搜索麥克風的精細距離；定義聲速為c，粗略距離d_ij，curr對應的粗時延為t_j，curr=d_ij，curr/c，在d_ij，curr附近Δd_ij，curr范圍內搜索精細距離，將距離信息轉換為對應的時間信息Δt_j，curr=Δd_ij，curr/c，則精細時延的搜索范圍為[t_j，curr-Δt_j，curr,t_j，curr+Δt_j，curr]；

將信號到達時間差乘以聲速c，得到信號到達兩個麥克風的距離差

d_rij＝(τ_ij-τ_rj)·c＝-τ_rij·c，j＝1、2、3

根據參考麥克風（2）到第j個聲源的距離d_rj，以及第j個聲源到參考麥克風（2）與第i個待定位麥克風（4）的距離差d_rij，獲得待定位麥克風（4）到第j個聲源的精細距離d_ij

d_ij＝d_rj+d_rij＝d_rj-τ_rij·c

所述的三角形質心計算子模塊的工作過程如下：

定義(x_s1,y_s1)、(x_s2,y_s2)和(x_s3,y_s3)分別為三個聲源坐標，d_i1、d_i2、d_i3分別為第i個待定位麥克風（4）到三個聲源的精細距離；當判定當前幀為信號幀時，在得到上述第i個待定位麥克風（4）到第j個聲源的精細距離d_ij之后，j=1、2、3，根據幾何關系，通過求解以聲源位置為圓心、距離為半徑的三個圓的交點，來確定第i個待定位麥克風所在位置，即

(x-xs1)2+(y-ys1)2=di12(x-xs2)2+(y-ys2)2=di22(x-xs3)2+(y-ys3)2=di32]]>

只有在理想情況下，三個圓才能相交于一點m，坐標為(x_m,y_m)；而在一般情況下，由于計算誤差的存在，此方程組無解，無解分為兩種情況：第一種是三個圓不能交于一點，而是相交出一個區域；第二種是其中有至少兩個圓沒有交點；

對于第一種無解情況，選擇相距最近的三個交點p₁(x_p1,y_p1)、p₂(x_p2,y_p2)和p₃(x_p3,y_p3)組成三角形，求取該三角形質心m，坐標為(x_m,y_m)，作為聲源位置，即

(xm,ym)=13Σi=13(xni,yni)]]>

對于第二種無解情況，考慮到在估計麥克風位置時，各待定位麥克風（4）和校正聲源位置均是固定的，則使用前一幀計算得的該兩個圓交點來充當本幀交點。

2.根據權利要求1所述的一種分布式麥克風陣列中麥克風位置估計系統，其特征在于：所述的a的最佳值為4；b的最佳值為0.05；β的最佳值為0.05。