[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于多聲源環(huán)境的分頻定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810004440.2
• 申請(qǐng)日: 2018-01-03
• 公開（公告）號(hào): CN108375763B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曲天書;吳璽宏;高山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S11/14
• 分類號(hào): G01S11/14
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于多聲源環(huán)境的分頻定位方法。本方法為：利用麥克風(fēng)陣列的傳遞函數(shù)，得到空間中各個(gè)方向、不同頻段的方向矢量；對(duì)麥克風(fēng)陣列記錄時(shí)刻n時(shí)的空間信號(hào)進(jìn)行分帶處理，計(jì)算每一頻段f_i對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣；對(duì)每一掃描頻段對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，得到一組相互正交的特征值和與之對(duì)應(yīng)的特征向量；將最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為信號(hào)空間，其余特征向量對(duì)應(yīng)噪聲空間；根據(jù)信號(hào)空間對(duì)應(yīng)的特征值和噪聲空間的噪聲方差，估計(jì)每一掃描頻段的信號(hào)能量；然后使用頻段f_i對(duì)應(yīng)的噪聲空間特征向量和方向矢量，計(jì)算頻段f_i的空間譜；用各掃描頻段的信號(hào)能量為對(duì)應(yīng)空間譜的權(quán)重，對(duì)各掃描頻段的空間譜進(jìn)行加權(quán)，得到定位結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聲源定位方法，尤其涉及一種多聲源環(huán)境下的定位方法。

背景技術(shù)

由于到達(dá)人的雙耳之間的聲音信號(hào)存在時(shí)間差和強(qiáng)度差，我們的大腦能夠利用這些差異，對(duì)接收的聲音信號(hào)進(jìn)行非精準(zhǔn)定向。同樣，我們也可以構(gòu)建兩個(gè)麥克風(fēng)或是多個(gè)麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列，通過分析不同麥克風(fēng)信道接收的聲音信號(hào)的時(shí)間，強(qiáng)度等信息，來計(jì)算聲源的到達(dá)方向(DOA)。在最近的10多年時(shí)間，聲源定向得到了廣泛的應(yīng)用，包括語音識(shí)別，語音信號(hào)處理，移動(dòng)機(jī)器人，無人駕駛，聲音信號(hào)增強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及麥克風(fēng)陣列技術(shù)的發(fā)展，聲源定位的研究得到了越來越多的重視。

當(dāng)前基于麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源定位的方法主要分為三類，基于波束形成(BF)算法的定位技術(shù)，基于聲達(dá)時(shí)間差(TDOA)的定位技術(shù)以及基于高分辨率的譜估計(jì)技術(shù)(MUSIC)。

波束形成又稱為空域?yàn)V波，通過對(duì)陣列中各個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波并加權(quán)求和來形成波束，找出空間各個(gè)方向信號(hào)能量最大值來進(jìn)行定向。通道之間的權(quán)重可以麥克風(fēng)陣列的結(jié)構(gòu)來估計(jì)，波束成形的一種改進(jìn)算法是運(yùn)用傳遞函數(shù)來估計(jì)權(quán)重，同時(shí)利用了時(shí)間差和強(qiáng)度差信息，提高了定位準(zhǔn)確率。波束成形算法需要對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行掃描，計(jì)算量較大。

基于聲達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)在單聲源計(jì)算模型中較為常見，常用的方法是運(yùn)用互相關(guān)相位變換(GCC-PHAT)來計(jì)算麥克風(fēng)兩兩之間的延時(shí)，之后運(yùn)用陣列和聲源的空間坐標(biāo)關(guān)系來找出聲源的位置。這種算法的計(jì)算量較小，較為適用于實(shí)時(shí)定位操作。但這種算法在應(yīng)用于多聲源定位時(shí)，因聲源之間存在較大的相互影響，帶來的誤差較大。

高分辨率譜估計(jì)是一種具有高分辨率的定位方法，其中一種經(jīng)典方法為MUSIC算法。其原理是對(duì)各路麥克風(fēng)接收到的信號(hào)計(jì)算自相關(guān)，對(duì)自相關(guān)矩陣的特征值進(jìn)行正交分解，得到信號(hào)子空間和噪聲子空間，運(yùn)用噪聲子空間與波達(dá)方向矢量(VS)的正交關(guān)系來估計(jì)聲源的方向。該方法既可以應(yīng)用在單聲源定位也可以應(yīng)用在多聲源定位。另外，該方法率突破了瑞利限的限制，具有很高的定位分辨率。但是在傳統(tǒng)的MUSIC算法中，方向矢量(steering vector)通常使用聲源到達(dá)麥克風(fēng)的時(shí)間差來進(jìn)行估計(jì)，這種方法忽略了傳播過程中幅度的變化。此外，由于在聲音定位的實(shí)際應(yīng)用中，聲信號(hào)通常具有諧頻特性，例如發(fā)動(dòng)機(jī)聲音，音樂聲音，說話聲等，這就意味著聲音信號(hào)在頻域上具有稀疏特性，即大部分的能量分布在小范圍的頻段上，不同頻段具有不同的能量比例。傳統(tǒng)MUSIC算法對(duì)全頻帶的定位結(jié)果進(jìn)行整時(shí)合，沒有考慮信號(hào)的頻域特性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于多聲源環(huán)境的定位方法。本發(fā)明使用傳遞函數(shù)，綜合時(shí)間差和強(qiáng)度差信息來更加準(zhǔn)確地估計(jì)方向矢量；在MUSIC算法的基礎(chǔ)上，提出了一種頻域加權(quán)的方式(FW-MUSIC)，通過分析信號(hào)能量所在頻帶(頻點(diǎn))，對(duì)不同的頻帶的定位結(jié)果，加入不同的權(quán)重系數(shù)，來實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果的優(yōu)化。

在MUSIC算法中，方向矢量的估計(jì)直接關(guān)系到定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的MUSIC算法使用不同麥克風(fēng)之間的時(shí)間差信息來估計(jì)方向矢量，而麥克風(fēng)之間的時(shí)間差則運(yùn)用麥克風(fēng)的位置信息來估計(jì)。θ方向的方向矢量如下式表示：