麦克风声源定位原理_一种利用麦克风阵列进行声源定位的方法与流程.pdf

麦克风声源定位原理_⼀种利⽤麦克风阵列进⾏声源定位的⽅ 法与流程 本发明涉及计算机信号处理领域，具体涉及⼀种⽤麦克风阵列时延估计定位声源的⽅法。 背景技术： 20世纪80年代以来，麦克风阵列信号处理技术得到迅猛的发展，并在雷达、声纳及通信中得到⼴泛的应⽤。这种阵列信号处理的思想后来 应⽤到语⾳信号处理中。在国际上将麦克风阵列系统⽤于语⾳信号处理的研究源于1970年。1976年，Gabfid将雷达和声纳中的⾃适应波 束形成技术直接应⽤于简单的声⾳获取问题。1985年，美国ATT/Bell实验室的Flanagan采⽤21个麦克风组成现⾏阵列，⾸次⽤电⼦控 制的⽅式实现了声源信号的获取，该系统采⽤简单的波束形成⽅法，通过计算预先设定位置的能量，找到具有最⼤能量的⽅向。同 年，Flanagan等⼈⼜将⼆维麦克风阵列应⽤于⼤型房间内的声⾳拾取，以抑制混响和噪声对声源信号的影响。由于当时技术的制约，使得 该算法还不能够借助于数字信号处理技术以数字的⽅式实现，⽽主要采⽤了模拟器件实现，1991年，Kellermann借助于数字信号处理技 术，⽤全数字的⽅式实现了这⼀算法，进⼀步改善了算法的性能，降低了硬件成本，提⾼了系统的灵活性。随后，麦克风阵列系统已经应⽤ 于许多场合，包括视频会议、语⾳识别、说话⼈识别、汽车环境语⾳获取、混响环境声⾳拾取、声源定位和助听装置等。⽬前，基于麦克风 阵列的语⾳处理技术正成为⼀个新的研究热点，但相关应⽤技术还不成熟。 技术实现要素： 鉴于麦克风阵列的声源定位⽅法具有⼴泛的应⽤前景和潜在的经济效益，本发明旨在提供⼀种利⽤麦克风阵列进⾏声源定位的⽅法，以期应 ⽤在包括语⾳识别、强噪声环境下的语⾳获取、⼤型场所的会议记录、声⾳检测和助听装置等领域。 为实现上述⽬的，本发明采⽤以下技术⽅案： ⼀种利⽤麦克风阵列进⾏声源定位的⽅法，包括时延估计和声源定位，其特征在于：⾸先，通过算法估计声源信号到达阵列中麦克风阵元的 相对时间差；第⼆步则利⽤估计时间差来计算出声源到达各阵元的距离差，然后结合阵列拓扑结构⽤⼏何算法或有哪些信誉好的足球投注网站确定声源位置。 所述时延估计的具体⽅法是：假设只有唯⼀的声源，麦克风阵列为均匀直线形阵列的情况，远场环境中有⼀个待定位的声源信号s(k)，选择 第⼀个麦克风阵元为参考点，第n个阵元在k时刻接收到的信号表⽰为： yn(k)＝αns(k-t-τn1)+vn(k) ＝αns[k-t-Fn(τ)]+vn(k) ＝xn(k)+vn(k),n＝1,2,…,N 其中αn(n＝l，2，…，N)为信号在传播过程中的衰减，其值介于[0，1]之间；t表⽰信号从s(k)传播到1号阵元之间的传播时间；vn(k)表⽰ 在第n个阵元上接收到的加性噪声；τ表⽰l号麦克风阵元与2号麦克风阵元所接收到的信号时延差；Fn(τ)函数表⽰第n个阵元与第⼀个阵元 之间的信号时延。 所述声源定位的具体⽅法是：根据声源和阵列之间的⼏何关系确定出声源⽅向⾓与距离。 本发明可实际应⽤于以下领域：视频会议，声源定位技术可为视频会议中的发⾔⼈跟踪定位；机器⼈技术，利⽤双⽿时延模型及互相关操作 来实现机器⼈对声源的定位及跟踪；噪声检测，为了更好的控制汽车、摩托车等发动机及⼤型器械中的噪声，声源定位技术是对发动机性能 评估、⼤型机械稳定性测试的重要⽅法；医疗诊断及医疗设备，在医疗设备中，声源定位技术可⽤于病变部位的分析，疾病的诊断起到极⼤ 的促进推动作⽤。 附图说明 图1是本发明的声源定位原理图。 具体实施⽅式 本发明的声源定位⽅法通常分为两个步骤，即时延估计和声源定位。本发明⾸先通过算法估计声源信号到达阵列中麦克风阵元的相对时间 差；第⼆步则利⽤估计时间差来计算出声源到达各阵元的距离差，然后结合阵列拓扑结构⽤⼏何算法或有哪些信誉好的足球投注网站确定声源位置。 1.时延估计 阵列的⼏何形状对声源定位性能⾄关重要，根据麦克风阵列所处的环境，时延估计的模型可以被分为理想模型与混响模型。我们把麦克风阵 元这种只接收通过直接路径到达麦克风阵列的声⾳信号的模型称作理想模型。把这种不仅考虑通过直接路径到达的信号，还考虑声源发出的 信号遇到墙壁、桌⼦等反射后间接到达阵列的信号的这种模型称作混响模型。由于混响信号的路径的数量具有不确定性，基于混响模型的算 法复杂度与理想模型相⽐其算法复杂度相对⽐较⼤，基于混响模型的算法是⽤数学模型去拟合⼲扰的影响并不像理想模型回避间接路径信号 的⼲扰，因此基于混响模型的算法的时延估计效果⽐较好。尽管如此，为了降低算法的复杂度，本发明主要就理想模型来研究麦克风阵列的 时延估计。 假设只有唯⼀的声源，麦克风阵列为均匀直线