专利名称：一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法
技术领域：
本发明涉及一种基于球麦克风阵列的三维空间多声源定位方法，可广泛用于语音信号处理等领域。具体是基于空间方位谱估计原理，结合降维子空间，将球谐域阵列接收信号模型进行协方差运算，划分相互正交的子空间，提取噪声子空间特征向量，构造出“针状”空间谱峰，最终通过谱峰搜索得到声源的位置。与传统的声源定位方法相比，本方法充分利用了空间方位谱估计的高分辨率特性和降维子空间运算量低的特点，达到快速、精确的声源定位效果。
背景技术：
声源定位技术，即确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣的信号的空间位置，是阵列信号处理的重要技术之一。利用麦克风阵列对声源信号的方位估计是声源定位的基本方法，它是将一组麦克风传感器按一定方式布置在空间不同位置上，形成麦克风阵列；用麦克风阵列来接收空间声源信号，再对阵列接收的信号进行处理，提取有用的信号特征，再通过一定的算法求解最终得到信号源的方位信息。球麦克风阵列与传统的一维直线麦克风阵列、二维平面麦克风阵列等几何阵列相比，具有的优点是三维空间的旋转对称结构、高空间分辨率、空间任意方向的波束形成及球傅里叶正交分解框架等，能够对声场进行更加充分地采样，因此在三维空间的多声源定位方面更具有优势。目前针对球麦克风阵列的声源定位方法主要是基于时域上的可控波束形成，或者是基于球谐域上的平面波分解。前者是对球麦克风阵列所采集到的声源信号滤波加权求和来形成波束，然后通过搜索声源可能的位置来引导波束，得到使波束有最大输出功率的为声源的方位。基于可控波束形成的球麦克风阵列声源定位方法的缺点是需要进行全局搜索，运算量极大，故很难实现；基于平面波分解的球麦克风阵列声源定位方法是首先，把声场进行球谐分解变换到球谐域中，获取直射声场的声压，然后，根据在声源直射方向会出现入射平面波幅值的峰值点的原理，在球面空间中搜索入射平面波幅值的极大值，极大值对应的球面位置坐标为声源的方位。此方法的缺点是对声源较多时的定位效果差，而且声源定位的精度主要受所使用的球麦克风阵列阶数大小的影响，增加麦克风的数目，虽然可以提高阵列的阶数，但是同时增加了信号采集的路数，导致计算复杂度的增加。还有一种时延估计也是一种有效的声源定位技术，但是其受噪声干扰较大，且球麦克风阵列的阵元间距小，致使现实中也很难获得精确的时延，不具有实用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，该方法能克服传统方法计算量大、定位精度不高的不足，显著降低运算量，准确估计声源方位。为了达到上述目的，本发明的构思是首先将球麦克风阵列采集高阶声场进行球谐函数分解，建立球谐域阵列接收的含噪声源信号模型；然后表达阵列接收数据的协方差矩阵；接着，根据子空间分解方法将协方差矩阵进行划分，得到两个相互正交的信号子空间和噪声子空间；再利用上述信号子空间和噪声子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱；最后，搜索方位谱函数的谱峰位置，确定声源的空间方位。根据上述发明构思，本发明采用的技术方案是
一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法主要包括以下几个步骤 (1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数；
(2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型；
(3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收信号的协方差矩阵；
(4)、对步骤(3)中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间U噪声子空间Ujf ；
(5)、利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间Us的导向矢量
，构造标准空间方位谱从步骤(4)中所得到的噪声子空间中提取出一个噪声子空间特征向量，构造空间方位谱;
(6)、搜索方位谱A的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值。本发明的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点该方法利用球麦克风阵列三维空间旋转对称结构，对声场进行充分的采样，采用高分辨率谱估计和降维子的噪声空间，在不增加运算量的同时，准确地估计声源方位，能广泛用于语音信号处理等领域。
图I为本发明一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法的流程 图2为本发明的球麦克风阵列采集空间声场的球坐标系示意 图3为本发明的谱峰搜索方法的空间方位谱 图4为本发明的谱峰搜索方法的流程图。
具体实施例方式为了更好地理解本发明的技术方案，以下作进一步的详细描述
本方法的流程参见图1，本发明的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，利用球麦克风阵列采集空间声场，结合空间谱估计技术和降维的噪声子空间进行多声源定位，其具体实施步骤如下
(I)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数，其具体如下
建立球坐标系，如图2所示，图中，i点代表分布在半径为Λ的球麦克风阵列上的相互独立、各向同性的阵元，阵元的总数为I;坐标系原点O选取为球麦克风阵列的球心，位于球面■■占处的阵元采用它的俯仰角和方位角Q = (AC)表示。当球麦克风阵列采集声场时，麦克风记录的是声场的声压信息，波数为史，k= 2π Λ , A为波长，从A =(先與)方向入射到球阵列的单位幅度的远场声源信号，信源的俯仰角冯是信源入射方向和ζ轴的夹角，4 €
其中，空间俯仰角沒和方位角P扫描整个空间方位，其变化范围分别为
、
,ァ轴是捜索角度^的值，范围是
，ミ轴代表谱值，谱峰所在很小的范围内，在这些小范围内进行小步进捜索，得到空间方位谱的谱峰位置，确定声源的空间方位，空间方位谱的谱峰捜索的过程如下 (6-1)、在；r轴上O ~ 360°范围内，等间距选择G个值礼…，％,ヌ轴上0~180。范围内，等间距选择G个值晃ハ>%, , I为声源个数，带入具妁计算对应的谱值pu(Am\-,进而确定门限值其表达式为
全文摘要
本发明公开了一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法首先将球麦克风阵列采集高阶声场进行球谐函数分解，建立球谐域阵列接收的含噪声源信号模型；然后表达阵列接收数据的协方差矩阵；接着，根据子空间分解方法将协方差矩阵进行划分，得到两个相互正交的信号子空间和噪声子空间；再利用上述信号子空间和噪声子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量并提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱；最后，搜索方位谱函数的谱峰位置，确定声源的空间方位。该方法利用球麦克风阵列三维空间旋转对称结构，对声场进行充分的采样，结合高分辨率的谱估计和降维的噪声子空间，显著降低运算量，准确地估计声源方位，能广泛用于语音信号处理等领域。
文档编号G01S5/20GK102866385SQ201210331009
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者宋涛, 黄青华, 彭昌友, 许广宏 申请人:上海大学