专利名称：一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法
技术领域：
本发明涉及一种声源定位方法，尤其涉及一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，属于声音定位技术领域。
背景技术：
现在通常声源定位技术指的是语音信号的定位技术，在时间域里，语音信号用它的时间波形来表示，语音信号属于短时平稳信号。在频率里，语音信号是宽带的信号，频带范围20Hz到20KHz。现在常用的用于语音信号的时延估计方法有:广义互相关时延估计法、倒谱预滤波时延估计法、互功率谱相位时延估计法、结合语音特性的基音加权时延估计法、基于人耳感知特性的时延估计、基于LMS的自适应时延估计法、基于子空间分解的时延估计法、基于声学传递函数比的时延估计法等等。但是这些方法都具有运算量大，算法较复杂等的缺点，若声源距离较远，麦克风采集会来的信号的信噪比很低，有用信号一般淹没于噪声中，采用上面的这些方法都不能很好的应用在这样的场合。这些方法不适合于用于窄带信号的定位。中国专利授权公告号为:CN101957443A，公告日为:2011年I月26日的发明专利公开了一种声源定位方法，包括:建立声源信号的混叠模型、采用三维声测量阵列采集被测声源在X、Y、Z三个方向的混合声信号、消噪处理获得干净的观测信号、估计出被测声源的分离矩阵、获得频响矩阵、采用基于峰值检测的整体波达方向估计策略，一次性地获得对所有声源信号波达方向的准确估计及利用空间几何的相关知识，进行空间角度计算，最终实现声源信号的空间定位等步骤。但是该定位方法的计算过程复杂，计算量较大，通过空间角度的计算实现定位容易导致对声源的定位不准确，如果声源在不断的移动时，不能实现实时跟踪。
发明内容
本发明的目的是针对现有的计算过程复杂，计算量较大，对声源的定位不准确，如果声源在不断的移动时，不能实现实时跟踪的缺陷和不足，现提供一种计算过程简单，对声源的定位准确，如果声源在不断的移动时，能够实现实时跟踪的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是:一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，包括以下步骤:
a、麦克风阵列采集到的信号分别通过信号输入端进入前置放大器中对信号进行放大，随后通过带通滤波器滤波后再将信号分别送入到SINPSD模块和COSPSD模块中进行运算；
b、将外界产生同频率的参考信号通过参考信号输入端输入到整形电路中，整形后形成同频率的方波，随后方波进入到90°移向电路模块中经处理后输出两个相差90°相位的方波信号，方波信号分别送入到SINPSD模块和COSPSD模块中；
c、SINPSD模块中的信号送入第二低通滤波器中进行处理，COSPSD模块中的信号送入第一低通滤波器中进行处理；
d、第一低通滤波器输出的信号同时输入矢量运算器和反正切矢量运算器中进行运算，第二低通滤波器输出的信号也同步输入矢量运算器和反正切矢量运算器中进行运算；
e、矢量运算器运算后得到的幅值从幅值输出端输出，反正切矢量运算器运算后得到的相位从相位输出端输出，然后将两信号的相位相减得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差；
f、然后以麦克风阵列中的两个麦克风的位置作为双曲线a的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线b的轨迹，随后以麦克风阵列中不同的两个麦克风的位置作为双曲线c的焦点，以同样的方法建立双曲线方程并确定对应的双曲线b的轨迹，同时还在不同的平面上以第五麦克风和第六麦克风的位置作为双曲线c的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线c的轨迹；
g、再将双曲线a、双曲线b以及双曲线c分别以各自两个焦点的连线为转轴，旋转360度后得到双曲面，并联立方程组求交点；
h、最后根据麦克风阵列中两个麦克风之间的相位差或声音到达各麦克风的先后顺序排除不符合要求的交点，最终得到唯一的交点，该交点就是声源的实际位置。所述e步骤中相位差以及距离差的计算方法如下:相位差为
%，时间差力ΓI,声音信号频率为f，声音在空气中传播速度为V，距离差为2<t21,则:
权利要求
1.一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，包括以下步骤: a、麦克风阵列采集到的信号分别通过信号输入端(I)进入前置放大器(3)中对信号进行放大，随后通过带通滤波器(5)滤波后再将信号分别送入到SINPSD模块(6)和COSPSD模块(7)中进行运算； b、将外界产生同频率的参考信号通过参考信号输入端(2)输入到整形电路(4)中，整形后形成同频率的方波，随后方波进入到90°移向电路模块(8)中经处理后输出两个相差90°相位的方波信号，方波信号分别送入到SINPSD模块(6)和COSPSD模块(7)中； c、SINPSD模块(6)中的信号送入第二低通滤波器(10)中进行处理，COSPSD模块(7)中的信号送入第一低通滤波器(9)中进行处理； d、第一低通滤波器(9)输出的信号同时输入矢量运算器(11)和反正切矢量运算器(12)中进行运算，第二低通滤波器(10)输出的信号也同步输入矢量运算器(11)和反正切矢量运算器(12)中进行运算； e、矢量运算器(11)运算后得到的幅值从幅值输出端(13)输出，反正切矢量运算器(12)运算后得到的相位从相位输出端(14)输出，然后将两信号的相位相减得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差; f、然后以麦克风阵列中的两个麦克风的位置作为双曲线a的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线b的轨迹，随后以麦克风阵列中不同的两个麦克风的位置作为双曲线c的焦点，以同样的方法建立双曲线方程并确定对应的双曲线b的轨迹，同时还在不同的平面上以第五麦克风和第六麦克风的位置作为双曲线c的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线c的轨迹； g、再将双曲线a、双曲线b以及双曲线c分别以各自两个焦点的连线为转轴，旋转360度后得到双曲面，并联立方程组求交点； h、最后根据麦克风阵列中两个麦克风之间的相位差或声音到达各麦克风的先后顺序排除不符合要求的交点，最终得到唯一的交点，该交点就是声源的实际位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于:所述e步骤中相位差以及距离差的计算方法如下:相位差为 ,时间差为:I声音信号频率为f，声音在空气中传播速度为V，距离差为2 %,则:
3.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于:所述g步骤中联立的双曲线方程组为:
4.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于:所述SINPSD模块(6)和COSPSD模块(7)分别具有两个信号输入端，一个信号输出端，输出信号是两个输入信号的时域相乘。
5.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于:所述矢量运算器(11)为能进行平方后求和并进行开方运算的矢量运算器。
6.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于:所述信号输入端(I)和参考信号输入端(2 )输入的两路信号频率相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于:所述信号输 入端(I)输入 的音频频谱范围为20Hz到20KHz。
全文摘要
一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，通过分布在三维空间中的麦克风阵列采集声波信号，并测量声波到达各个麦克风的相位差，同时计算出时间差，并根据该到达时间差计算出到达距离差，再由距离差建立数学模型得到双曲线，然后旋转得到双曲面，再求解这些双曲面的交点，并排除无关交点，最后所得到的交点位置就是声源的位置，本发明采用了锁相放大器的原理，巧妙的建立了数学模型求交点，从而确定声源的位置，可以实现在十分吵杂环境中提取有用信号的幅值和相位信息，能够快速准确的确定声源的位置，即使声源在不断的移动，也可以很好的实现实时跟踪。
文档编号G01S5/28GK103176167SQ20131009193
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者蒋宏, 徐华中, 罗积浩, 黄力, 张帆, 孙洪伟, 兰军健, 魏凯, 倪浩 申请人:徐华中