[發明專利]基于壓縮感知的三維聲源定位方法

有效

• 申請號: 201710493279.5
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107247251B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 寧方立;劉勇;韋娟;張超
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明公開了一種基于壓縮感知的三維聲源定位方法，用于解決現有三維聲源定位方法抗噪性能差的技術問題。技術方案是通過麥克風陣列獲得聲源信號的測量值，對選定的三維聲源區域進行均勻的網格劃分，將每一個網格節點作為潛在的聲源位置。進而根據自由場格林函數的Helmholtz方程建立網格節點與麥克風陣列之間的測量矩陣，獲得麥克風陣列測量值與未知聲源信號之間的三維窄帶聲源定位稀疏表達模型。通過對稀疏表達模型中的麥克風陣列測量值進行奇異值分解，獲得變形后的聲源定位稀疏表達模型。最后采用壓縮感知OMP算法對變形后的表達模型進行迭代求解，獲得聲源區域各網格節點的聲源強度，對聲源進行定位。提高了聲源定位的抗噪性能。

技術領域

本發明涉及一種三維聲源定位方法，特別涉及一種基于壓縮感知的三維聲源定位方法。

背景技術

基于壓縮感知的聲源定位方法，能夠在不滿足奈奎斯特采樣定理的情況下對聲源進行定位，而且能夠獲得超分辨率的定位結果。

文獻“Ning F,Wei J,Qiu L,et al.Three-dimensional acoustic imaging withplanar microphone arrays and compressive sensing[J].Journal of Sound andVibration,2016,380:112-128.”公開了一種基于壓縮感知正交匹配追蹤(orthogonalmatching pursuit，OMP)算法的三維聲源定位方法。該方法能夠基于麥克風陣列測量技術與壓縮感知OMP算法對三維區域內的聲源進行定位。首先對所選三維聲源區域進行網格劃分，建立網格節點與麥克風陣列之間的測量矩陣，獲得聲源與麥克風陣列之間的三維窄帶聲源定位稀疏表達模型。進而通過OMP算法迭代求解各網格節點的聲源強度，達到聲源定位的目的。雖然文獻所述方法能夠獲得超分辨率的結果，但是當信噪比(Signal to NoiseRatio,SNR)低至5dB時，該方法不能對聲源進行定位，即抗噪性能差。

綜上所述，文獻中采用壓縮感知OMP算法的三維聲源定位方法抗噪性能差。

發明內容

為了克服現有三維聲源定位方法抗噪性能差的不足，本發明提供一種基于壓縮感知的三維聲源定位方法。該方法通過麥克風陣列獲得聲源信號的測量值，經過信號處理得到所需窄帶頻率點的測量數據。對選定的三維聲源區域進行均勻的網格劃分，將每一個網格節點作為潛在的聲源位置。進而根據自由場格林函數的Helmholtz方程建立網格節點與麥克風陣列之間的測量矩陣，獲得麥克風陣列測量值與未知聲源信號之間的三維窄帶聲源定位稀疏表達模型。通過對稀疏表達模型中的麥克風陣列測量值進行奇異值分解，獲得變形后的聲源定位稀疏表達模型。最后采用壓縮感知OMP算法對變形后的表達模型進行迭代求解，獲得聲源區域各網格節點的聲源強度，對聲源進行定位。由于采用了壓縮感知OMP算法，并通過對奇異值分解的使用，提高了聲源定位方法的抗噪性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種基于壓縮感知的三維聲源定位方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、通過由M個麥克風傳感器組成的麥克風陣列對三維空間的聲源信號進行采集，獲得時域的麥克風陣列測量數據。

步驟二、對所采集的麥克風陣列測量數據進行分塊、加窗以及快速傅立葉變換處理，獲得麥克風陣列在頻域的測量數據。

步驟三、在每個麥克風傳感器所對應的數據塊內選擇所需窄帶頻率點的測量數據y，維度為M×B，B為劃分的數據塊總數。

步驟四、建立三維窄帶聲源定位的稀疏表達模型，包括三維聲源區域網格的劃分和測量矩陣的建立。

對選定聲源的三維空間區域進行網格劃分。以每個網格節點作為潛在聲源，構建未知聲源信號x，維度為M×N，N為聲源區域劃分網格節點的數目。未知聲源信號x由網格節點處的聲源強度組成。