專利名稱：聲源定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲源定位方法，特別是機(jī)械聲源信號(hào)的定位方法，尤其涉及一種 基于小波包分解去噪與獨(dú)立分量分析的三維聲源定位方法。
背景技術(shù)：
波達(dá)方向(DOA)估計(jì)是陣列信號(hào)處理的一個(gè)主要研究內(nèi)容。DOA估計(jì)是為了確定 信號(hào)的方位，從接收數(shù)據(jù)中測出信號(hào)方向。不管信號(hào)是有用信號(hào)還是干擾信號(hào)，在DOA估計(jì) 方向圖中都表現(xiàn)為峰值，而此峰值并不是實(shí)際陣列輸出功率。在聲學(xué)研究與應(yīng)用中，陣列信 號(hào)處理技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，特別是在聲源定位方面。聲信號(hào)的陣列處理，首先需要借助聲陣列獲取多通道聲信號(hào)。聲陣列通常由多個(gè) 傳聲器(或麥克風(fēng))按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，典型的聲陣列包括線陣、方陣或圓陣等?？捎糜诼曉炊ㄎ坏姆椒ㄓ卸喾N，傳統(tǒng)的包括基于時(shí)延估計(jì)和波束形成的定位方 法、基于極大似然估計(jì)的定位方法以及近場聲源定位技術(shù)。這些傳統(tǒng)方法由于一些缺點(diǎn)和 局限性，已經(jīng)被其他一些新的技術(shù)方法所取代。目前，應(yīng)用較多較成熟的是基于多信號(hào)分類 (MUSIC)的聲源定位方法，此外還有Sawada-ICA法。MUSIC是一種高分辨率的DOA算法，它首先由陣列接收的M維傳感觀測信號(hào)χ (t) 出發(fā)，計(jì)算其相關(guān)矩陣如下R = x(t) ‘ x(t)H (1)式中(·)H為共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算。然后，對(duì)所估計(jì)的相關(guān)矩陣R執(zhí)行特征值分解，即
R二 VAVH
ν
M
v=K .
A = diag[\ ■■■ Am]
⑵ 式中Vk為特征向量(M維列向量)，Xk為特征向量Vk所對(duì)應(yīng)的特征值(按從大到 小順序排列，即A1^...彡λΜ·)。由此，可以構(gòu)造如下的特征方程式 υφ) = X^Jyfm
(3)此方程的N個(gè)根即對(duì)應(yīng)源信號(hào)方向θρ...，9,的估計(jì)。MUSIC方法的不足之處在于波達(dá)方向估計(jì)時(shí)要求一個(gè)傳感器陣列中的傳感器數(shù)目必須大于源數(shù)目。此外，估 計(jì)結(jié)果易受外來干擾噪聲的影響，在強(qiáng)噪聲干擾環(huán)境下甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的估計(jì)結(jié)果。更新的方法是由日本人Sawada提出的基于獨(dú)立分量分析(ICA)的DOA估計(jì)方 法-Sawada-ICA法。Sawada-ICA法假設(shè)聲信號(hào)的混合為線性卷積混疊，即
x(0 = A(0*s(0 + n(0
N
或 χ奶人t_^+η々)
7=1
式中i = 1，· · ·，M，j = 1，· · ·，N。x(t) = {xi(t),x2(t),...，xM(t)}為已知的 M 維多通道混合聲觀測向量;A= {AU(Z)}為一個(gè)未知的MXN線性濾波器矩陣；s (t)為N維 未知的源向量且有s(t) = {Sl(t)，S2(t)，...，SN(t)}。huGO為從第j個(gè)源到第i個(gè)傳感 器的脈沖響應(yīng)函數(shù)，k為時(shí)間延遲變量。模型中假設(shè)無外加噪聲成分。由于信號(hào)混合模型中假設(shè)無外加噪聲，因此其信號(hào)采集必須在消聲室或半消聲室 中進(jìn)行，以避免噪聲干擾。N個(gè)聲源信號(hào)混合并被一個(gè)由M個(gè)傳聲器(或麥克風(fēng))所組成的 一維線陣采集，經(jīng)過模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)。Sawada-ICA法在時(shí)-頻域進(jìn)行，首 先對(duì)數(shù)字混合聲觀測信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換(STFT)，獲得如下的時(shí)-頻域混合觀測
N
權(quán)利要求
一種聲源定位方法，其特征在于，包括步驟a、根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，建立聲源信號(hào)的混疊模型，所述混疊模型中包含有背景噪聲成分；b、采用三維聲測量陣列采集被測聲源在X、Y、Z三個(gè)方向的混合聲信號(hào)，并完成混合聲信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)化；c、對(duì)步驟b中采集到的混合聲信號(hào)，進(jìn)行消噪處理，獲得干凈的觀測信號(hào)；d、對(duì)步驟c中獲得的觀測信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理，估計(jì)出被測聲源的分離矩陣；e、由步驟d中的分離矩陣出發(fā)，利用矩陣求逆運(yùn)算估計(jì)聲源混合系統(tǒng)——頻響矩陣；f、采用基于峰值檢測的整體波達(dá)方向估計(jì)策略，一次性地獲得對(duì)所有聲源信號(hào)波達(dá)方向的準(zhǔn)確估計(jì)；g、利用空間幾何的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行空間角度計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)聲源信號(hào)的空間定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟a中的混疊模型 包括瞬時(shí)混疊模型和卷積混疊模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述瞬時(shí)混疊模型的一種 線性瞬時(shí)混疊模型為χ(0 =sin ⑷)// ...sin( )//QjlTtdM sin⑷)// ... Qjlndu sin( )//a eM ... A ei<PNΛ\\ CΛΙΝ CA... Λ ^lffΛ\Ν CjlNN Cs(0 + n(0其中1為信號(hào)的波長，d, = AiI為傳感器的空間物理位置，S(t)為聲源信號(hào)，η(t)為 加性噪聲。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述卷積混疊模型的公式為x(0 = A(0*s(0 + n(0,N或 a(O=ΣΣΛ-幻+η·⑴-Mx(t) = {xi(t)，x2(t)，···，xM(t)}為已知的M維多通道混合聲觀測向量；A= (Aij(Z)I 為一個(gè)未知的MXN線性濾波器矩陣；s(t)為N維未知的源向量且有s(t) = {Sl(t)， s2(t)，...，sN(t)}。huGO為從第j個(gè)源到第i個(gè)傳感器的脈沖響應(yīng)函數(shù)，k為時(shí)間延遲變量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟b中三維聲測量 陣列為三維傳聲器陣列，所述傳聲器按X、Y、Z方向安裝在測量架上，每個(gè)方向由2個(gè)以上的 傳聲器間隔排列組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟c采用小波變換 技術(shù)，消除噪聲。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟c采用小波分解 技術(shù)，消除噪聲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟d，當(dāng)獲得的觀測 信號(hào)適合瞬時(shí)混疊模型時(shí)，采用瞬時(shí)獨(dú)立分量算法估計(jì)分離矩陣；當(dāng)獲得的觀測信號(hào)適合聲源卷積模型時(shí)，先進(jìn)行時(shí)_頻變換，然后采用瞬時(shí)獨(dú)立分量算法估計(jì)分離矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源定位方法，其特征在于所述步驟f中基于峰值檢 測的整體波達(dá)方向估計(jì)策略，包括如下步驟fl、將步驟e中獲得頻響矩陣擴(kuò)展，其表達(dá)式為
全文摘要
一種聲源定位方法，包括建立聲源信號(hào)的混疊模型、采用三維聲測量陣列采集被測聲源在X、Y、Z三個(gè)方向的混合聲信號(hào)、消噪處理獲得干凈的觀測信號(hào)、估計(jì)出被測聲源的分離矩陣、獲得頻響矩陣、采用基于峰值檢測的整體波達(dá)方向估計(jì)策略，一次性地獲得對(duì)所有聲源信號(hào)波達(dá)方向的準(zhǔn)確估計(jì)及利用空間幾何的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行空間角度計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)聲源信號(hào)的空間定位等步驟。克服了現(xiàn)有聲源定位方法無法有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)混疊聲源的三維空間定位，存在定位方法使用不靈活、估計(jì)結(jié)果不穩(wěn)定且精度較低、實(shí)用性不夠好等問題。
文檔編號(hào)G01S3/802GK101957443SQ20101020477
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者焦衛(wèi)東 申請(qǐng)人:嘉興學(xué)院