[发明专利]一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法及系统

权利要求书

1.一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，该方法通过一个环形传声器阵列实现，该阵列的传声器个数为M，阵列与地面平行放置；所述方法包括：

将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；获取在第q个空间位置第m个传声器采集到的频率分离信号；

根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数；

利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；

根据获得的全局声场系数估计声源方位；

所述根据M个频率分离信号估计每个空间位置的局部声场系数，具体包括：

步骤2-1)将频率分离信号X_q,m(k)表示为圆谐波展开的形式：

其中，k＝2πf/c为波数，f为频率，c为声速，α_q,n(k)为第q个空间位置的n阶声场系数，J_n为n阶第一类贝塞尔函数，e为自然底数，第m个传声器相对于第q个空间位置的极坐标表示为(r,φ_q,m)；传声器位于半经为r的圆上；

则X_q,m(k)截断为：

当截断阶次满足时，上式的截断误差小于16.1％；

步骤2-2)构造变换矩阵B_q(k),q＝1,...,Q，将式(2)写成矩阵形式：

x_q(k)＝B_q(k)α_q(k) (3)

其中为第q个空间位置的频域数据快拍；

为第q个空间位置的声场系数矢量，变换矩阵具有如下形式：

步骤2-3)估计局部声场系数

使用最小二乘法对式(3)所示的方程进行求解；因此按照式(5)估计局部声场系数：

其中λ₁为正则化因子，为单位矩阵；

所述根据获得的全局声场系数估计声源方位，具体包括：

步骤4-1)构建全局声场系数的样本协方差矩阵R_β：

其中，K为感兴趣的频率点数目；

步骤4-2)构建与频率无关的加权矢量

步骤4-3)改变加权矢量的指向方向估计方位谱

步骤4-4)将方位谱的峰值所在位置作为声源方位的估计。

2.根据权利要求1所述的使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，其特征在于，所述利用声场系数的空间变换关系，根据获得的局部声场系数估计各频率点的全局声场系数；具体包括：

步骤3-1)构建变换矩阵定义一个包含所有空间位置的最小环形区域为全局区域，全局区域的半径用R表示，区域中心即全局坐标原点；将全局声场在全局原点处做圆谐波展开能够得到全局声场系数其与局部声场系数存在如下关系：

其中变换系数具有如下形式：

其中(r_q,θ_q)是空间位置q相对于全局坐标原点的极坐标表示；将式(7)写成矩阵形式：

α(k)＝T(k)β(k) (8)

其中：

步骤3-2)使用最小二乘法求解式(8)能够求得全局声场系数为：

其中λ₂为正则化因子，

3.一种使用移动环形传声器阵列的声源定位系统，其特征在于，所述系统包括：

环形传声器阵列，包括M个传声器；将环形阵列的中心移动至Q个不同的空间位置，高度不发生变化；在第q个空间位置处第m个传声器采集到的时域信号；

短时傅里叶变换模块，用于对时域信号依次进行分帧、加窗和傅里叶变换，得到相应的频率分离信号；

局部声场系数估计模块，用于利用频率分离信号估计局部声场系数；

全局声场系数估计模块，用于利用局部声场系数估计全局声场系数；

声源定位模块，用于根据全局声场系数估计声源方位角；

所述局部声场系数估计模块的具体处理过程包括：

步骤2-1)将频率分离信号X_q,m(k)表示为圆谐波展开的形式：

其中，k＝2πf/c为波数，f为频率，c为声速，α_q,n(k)为第q个空间位置的n阶声场系数，J_n为n阶第一类贝塞尔函数，e为自然底数，第m个传声器相对于第q个空间位置的极坐标表示为(r,φ_q,m)；传声器位于半经为r的圆上；

则X_q,m(k)截断为：

当截断阶次满足时，上式的截断误差小于16.1％；

步骤2-2)构造变换矩阵B_q(k),q＝1,...,Q，将式(2)写成矩阵形式：

x_q(k)＝B_q(k)α_q(k) (3)

其中为第q个空间位置的频域数据快拍；

为第q个空间位置的声场系数矢量，变换矩阵具有如下形式：

步骤2-3)估计局部声场系数

使用最小二乘法对式(3)所示的方程进行求解；因此按照式(5)估计局部声场系数：

其中λ₁为正则化因子，为单位矩阵；

所述声源定位模块的具体处理过程包括：

步骤4-1)构建全局声场系数的样本协方差矩阵R_β：

其中，K为感兴趣的频率点数目；

步骤4-2)构建与频率无关的加权矢量

步骤4-3)改变加权矢量的指向方向估计方位谱

步骤4-4)将方位谱的峰值所在位置作为声源方位的估计。