[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

说明书

本发明公开了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。本发明的方法通过移动一个环形传声器阵列，在远大于阵列孔径的空间范围内充分地采集声场信息，从而提高声源定位的性能。

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，特别涉及一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法及系统。

背景技术

声源定位在智能音箱、机器人、视频会议和安防等领域有着广泛应用。传统的阵元域声源定位方法分为间接和直接法两类。间接法首先计算声源到各阵元的相对时间延迟，然后根据阵列的几何形状来确定声源方位；直接法则需要计算一系列候选方位上的损失函数，据此估计最有可能的方位，根据损失函数可以分为可控响应功率法，最大似然方法和子空间类方法。

与阵元域方法的直接处理传声器数据不同，空间谐波域方法先对数据做空间谐波分解，在补偿频率依赖项之后，再对空间谐波域的数据进行处理。空间谐波域的导向矢量具有频率无关特性，这一特性能够简化频率聚焦操作(空间谐波域的聚焦可以通过样本协方差矩阵求和平均实现)，也能够实现低频的高分辨特性。

空间谐波域的方法目前可以用于两类的阵型结构：球形阵列和环形阵列，分别对应球谐波域和圆谐波域。本发明的声源定位方法属于圆谐波域方法。

圆谐波域声源定位方法的分辨率和鲁棒性受限于环形阵列的尺寸和阵元数量。增加阵列的尺寸和阵元数量能够有效的提高声源定位性能，但是这样做会导致：贝塞尔零点问题恶化、成本提高和系统庞大笨重。因此，如何用小孔径和少阵元的环形阵列实现高性能的声源定位，是一个重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提出一种使用移动环形传声器阵列的声源定位方法，该方法能够用极大地提升声源定位性能。

为实现上述发明目的，本发明提出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。

作为上述方法的一种改进，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：