专利名称：三维空间声源定位方法
技术领域：
本发明的技术方案涉及应用声波通过确定多个方向的配合来定位的装置，具体地说是三维空间声源定位方法。
背景技术：
现今，随着仿生技术应用领域的不断扩展，基于传声器阵列的听觉感知技术已逐渐成为移动机器人导航、语音信号增强以及水下目标感知等众多研究领域的重要课题。可以说，听觉是新一代智能机器人的重要标志之一，是实现“人-机-环境”交互的重要手段。由于声音具有绕过障碍物的特性，在多信息采集系统中听觉可以与视觉相配合，从而弥补视觉的视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限。另外，在“听觉场景”内不仅能定位声源目标，还可以通过现代信号处理技术得到更有价值的信息。因此，设计高精度的声源定位装置在医疗、服务和军事领域具有重要的理论意义和应用价值。现有技术中的麦克风声源定位装置和方法只能定位声源方向角度,不能准确定位距离。例如，CN201010191634.1公开的“一种声源定位装置”，所采用的定位空间声源的方法为采集一段声源目标信号，然后通过上述装置和其定位计算方法可以得到各个传声器之间的时间差，根据时间差和阵列几何模型计算出方向角、仰角、和距离。此方法计算出的方向角和仰角精度挺高，但是距离的精度就较差。该专利技术中使用的测量距离方法为被动法，并且此方法整体测量过程中，麦克风阵列没有发生移动。此现有技术的缺点是定位距离的精度不够高。文献“基于正棱锥阵的目标定位系统”(东南大学学报第25卷第5期)中提到的声源定位方法为采集一段声源目标信号，然后通过上述系统和算法可以得到各个传声器之间的时间差，然后根据时间差和阵列几何模型只能计算出方向角和仰角，而此时没有计算出距离。而这篇文章中距离的测量方法为在阵列中心设置一个可以发射声音的装置，当声音发射出去后，到达声源目标时会被反射回来，此时阵列接收到声音，根据发射声音时和接收到反射回来声音时这两个时刻的时间差，计算出声源目标的距离。这篇文章使用的测量距离方法为主动法，在测量距离的过程中，阵列也没有发生移动。此方法的缺点在于使用主动法来测量距离，这样就需要额外附加发射声音的设备，增加了系统的成本。此外如果用在军事方面还有安全隐患，例如用在潜艇探测上，这时使用主动法时需要发射声音信号，此信号容易被对方发现并收到，从而暴露了自己，产生安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供三维空间声源定位方法，是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法。本发明方法所采用的测量声源目标的方法为被动法，测量过程中小型麦克风阵列进行了移动，克服了现有技术的测量声源目标距离精度低和采用主动法来测量声源目标距离成本高并不安全的缺点。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是三维空间声源定位方法，是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法，A.该方法所用的装置包括小型麦克风阵列、供电调理设备、数据采集卡和上位机，其中小型麦克风阵列由四个独立且特性相同的麦克风分别位于正四面体的四个顶点构成，上位机中包括时延计算模型、方位角计算模型、仰角计算模型以及距离计算模型；每个麦克风和供电调理设备需要一条BNC接头的数据线相连接，供电调理设备通过4条BNC接头的数据线和整个麦克风阵列相连接以为后者供电，供电调理设备还通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡相连接，数据采集卡和上位机通过一条usb数据线连接；B.用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是三维空间声源定位包括确定声源目标的方位角B、仰角F、声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d2和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D，第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E小型麦克风阵列为正四面体，设正四面体底面的中心为坐标原点0，坐标原点O正前方位置的麦克风为SI，坐标原点O右边位置的麦克风为S2，坐标原点O左边位置的麦克风为S3，坐标原点O上方位置的麦克风为S4,(I)由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计在一个根据测定环境条件选定的位置，用小型麦克风阵列采集一段时间为IOms 30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正四面体的四个顶点的四个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风SI的时刻之间的时延值，具体方法如下假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为X1 (t) = B1S (t) +Ii1 (t), X2 (t) = a2s (t_ τ 12)+n2 (t) (I)上式中，Cii为声源信号的衰减系数，s⑴为声源目标信号，Xi (t)为麦克风采集的声音信号，njt)为声源附加的噪声信号，τ 1>2为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延，将采集的声音信号Xi(t)，i = 1，2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号Xi ( ω ),其互功率谱函数为
权利要求
1.三维空间声源定位方法，其特征在于是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法， A.该方法所用的装置 包括小型麦克风阵列、供电调理设备、数据采集卡和上位机，其中小型麦克风阵列由四个独立且特性相同的麦克风分别位于正四面体的四个顶点构成，上位机中包括时延计算模型、方位角计算模型、仰角计算模型以及距离计算模型；每个麦克风和供电调理设备需要一条BNC接头的数据线相连接，供电调理设备通过4条BNC接头的数据线和整个麦克风阵列相连接以为后者供电，供电调理设备还通过4条BNC接头的数据线和数据采集卡相连接，数据采集卡和上位机通过一条usb数据线连接； B.用上述装置进行三维空间声源定位方法的步骤是 三维空间声源定位包括确定声源目标的方位角B、仰角F、声源目标离麦克风阵列底面的中心点的水平距离d2和声源目标到小型麦克风阵列底面的中心点的距离D， 第一步，测定声源目标在小型麦克风阵列移动前的方位角A和在小型麦克风阵列移动前的仰角E 小型麦克风阵列为正四面体，设正四面体底面的中心为坐标原点O，坐标原点O正前方位置的麦克风为SI，坐标原点O右边位置的麦克风为S2，坐标原点O左边位置的麦克风为S3，坐标原点O上方位置的麦克风为S4, (1)由上位机中的时延计算模型进行小型麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计 在一个根据测定环境条件选定的位置，用小型麦克风阵列采集一段时间为IOms 30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正四面体的四个顶点的四个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2、麦克风S3和麦克风S4的时刻与声音信号到达麦克风SI的时刻之间的时延值，具体方法如下 假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为 X1 (t) = B1S (t) +Ii1Zt), X2 (t) = a2s (t~t12) +n2 (t) (I) 上式中，CIi为声源信号的衰减系数，S (t)为声源目标信号，Xi (t)为麦克风采集的声音信号，Iii (t)为声源附加的噪声信号，τ 1;2为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，gp时延， 将采集的声音信号Xi (t)，i = 1，2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号\(ω)，其互功率谱函数为
2.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于所述小型麦克风阵列的正四面体的底面外接圆半径为10厘米。
3.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于所述上位机中使用软件是 matlabo
4.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于所述L的范围为O.5 1.5m。
5.根据权利要求1所述三维空间声源定位方法，其特征在于所述X的范围为45度 135 度。
全文摘要
三维空间声源定位方法，是采用可移动小型麦克风阵列和基于时延估计的声源定位技术进行三维空间声源定位方法，用小型麦克风阵列采集一段时间的目标声源信号，使用互相关的算法计算其中各个麦克风之间的时间差，把该时间差代入方位角度和仰角的计算公式得出目标声源的方位角度和仰角，然后将该小型麦克风阵列沿着一定的方位角度移动一段距离，重复上述操作，得出此时目标声源的方位角度和仰角，通过对目标声源的两次的方位角和仰角的测量，计算出声源目标的距离。本发明方法所采用的测量声源目标的方法为被动法，测量过程中小型麦克风阵列进行了移动，克服了现有技术的测量声源目标距离精度低和采用主动法来测量声源目标距离成本高并不安全的缺点。
文档编号G01S5/30GK103064061SQ201310001460
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者杨鹏, 徐勤奇, 孙昊, 祖丽楠, 郑昀, 尹哲, 吴秀谦 申请人:河北工业大学