[發明專利]一種三維空間聲源定位方法

有效

• 申請號: 201410202062.0
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103995252A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 郭業才;朱賽男;張寧;黃友銳
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 顧進;葉涓涓

1.一種三維空間聲源定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟A，在三維直角坐標系中，建立兩個在同一平面上且相對設置的L型麥克風陣列；

步驟B，采用修正的歸一化多通道頻域最小均方方法NMCFLMS估計聲源信號到達各麥克風的時延差，包括下述步驟：

步驟B-1，聲源信號s(n)經第i個麥克風的信道沖激響應h_i(n)后與信道加性噪聲v_i(n)合并，得第i個麥克風的接收信號x_i(n)：x_i(n)＝s^T(n)h_i(n)+v_i(n)；

其中，T表示矩陣轉置操作；n為時間序列，是整數；

當不計信道加性噪聲時，第i個麥克風的接收信號x_i(n)與第j個麥克風的接收信號x_j(n)間的關系為：

xiT(n)hj(n)=xjT(n)hi(n);]]>

步驟B-2，用長度為2L_h的矩形窗函數w(n)對第i個麥克風的接收信號x_i(n)進行加窗處理，得到第i個麥克風的第n幀接收信號為：

xi(n)2Lh×1=[xi(nLh-Lh),xi(nLh-Lh+1),...,xi(nLh+Lh-1)]T;]]>

式中，L_h表示信道沖激響應h_i(n)的長度，為整數；n＝1,…,int(N/L_h-1)；N為麥克風接收到信號的序列總長度，為整數；int(N/L_h-1)為對N/L_h-1向下取整后得到的整數；

步驟B-3，利用傅里葉變換將步驟B-2中得到的時域信號變換為頻域信號：

Xi(n)2Lh×1=F2Lh×2Lhxi(n)2Lh×1;]]>

式中，為2L_h×2L_h維傅里葉變換矩陣；

步驟B-4，引入懲罰函數對頻譜能量修正，自適應地估計出信道頻域響應

當信道加性噪聲v_i(n)存在時，頻域誤差函數定義為

e‾ij(n)=WLh×2Lh01Di(n)W2Lh×Lh10h^‾j(n)-WLh×2Lh01Dj(n)W2Lh×Lh10h^‾i(n)]]>

式中

Di=diag(F2Lh×2Lh(xi(n)2Lh×1));]]>

WLh×2Lh01=FLh×Lh0Lh×LhILh×LhF2Lh×2Lh-1;]]>

W2Lh×Lh10=F2Lh×2LhILh×Lh0Lh×LhTFLh×Lh-1;]]>

式中，i≠j；i,j＝1,2,…,M，分別為L_h×L_h維傅里葉變換矩陣和傅里葉變換逆矩陣；diag表示對角矩陣；表示L_h×L_h維單位陣；表示L_h×L_h維零矩陣；

利用懲罰函數J_p(n)通過拉格朗日乘子β(n)對NMCFLMS的代價函數J_f(n)進行修正，得到修正的代價函數為

J_mod(n)＝J_f(n)+β(n){-J_p(n)}

式中

β(n)=|▿JpH(n)▿Jf(n)|||▿Jp(n)||2]]>

式中，拉格朗日乘子β(n)的值由穩態時修正的代價函數梯度等于零，即▽J_f(n)＝β(n)▽J_p(n)時獲得，H表示共軛轉置；

由修正的代價函數J_mod(n)，得信道頻域響應的更新公式為

h^‾i10(n+1)=h^‾i10(n)-▿Jf01(n)+β^(n)▿Jp10(n)]]>

其中，

▿Jp01(n)=F2Lh×2Lh0Lh×LhILh×LhTK(n)F2Lh×2Lh0Lh×LhILh×LhTh^‾(n)]]>

β^(n)=|▿Jp10(n)H▿Jf01(n)|||▿Jp10||2]]>

▿Jf01(n)=μ(Pi(n)+δI2Lh×Lh)-1×Σk=1MDk*(n)e‾ki01(n)]]>

上式中，

Pi(n)=λPi(n-1)+(1-λ)×Σk=1,k≠iMDk*(n)Dk(n)]]>

e‾ki01(n)=F2Lh×2Lh0Lh×LhILh×LhTFLh×Lh-1e‾ki(n)]]>

式中，K(n)是對角線元素為的對角矩陣；P_i(n)為多通道輸出信號的頻譜能量，遺忘因子參數δ為正常數；

步驟B-5，對信道頻域響應進行傅里葉反變換，得信道沖激響應估計為

h^i(n)=ILh×Lh0Lh×LhF2Lh×2Lh-1h^‾i10(n)]]>

式中，為2L_h×2L_h維傅里葉變換逆矩陣；

步驟B-6，在自適應過程中，估計的信道沖激響應中出現的峰值對應時延是第i個麥克風的接收直達聲信號時延，則聲源信號到達第i個麥克風與第j個麥克風之間的時延差為

τ^ij=(maxl=1Lh|h^il(n)|-maxl=1Lh|h^jl(n)|)/fs]]>

式中，f_s為信號的采樣頻率，max表示取最大值；

步驟C，由步驟B所述的時延差與聲速相乘得到聲源信號到達各麥克風的距離差，并根據各麥克風的位置關系，確定所述聲源的位置。