[发明专利]一种适用于球麦克风阵列的超分辨声源定位方法

说明书

本发明公开了一种适用于球麦克风阵列的超分辨声源定位方法，首先将球阵采集高阶声场进行球谐波分解和短时傅里叶变换，计算局部时频块的频率平滑自相关矩阵；然后求解半正定规划问题获得恢复后的球谐波域协方差矩阵；利用求解得到的球谐波域协方差矩阵作直接路径检测，对通过检测的时频块计算空间谱，并进行融合计算获得声源位置。相对于已有的子空间类声源定位方法对噪声和混响具有更高鲁棒性，对邻近声源分辨力更好。

技术领域

本发明涉及一种适用于球麦克风阵列的超分辨声源定位方法，属于声源定位技术领域。

背景技术

与自由空间中的信号源定位问题不同，房间混响环境下存在信号多径传播和系统欠定问题(散射体个数大于麦克风数目)，因此经典环境下的DOA估计方法在高混响环境下存在性能下降。为了解决上述问题，Rafaely等人针对球麦克风阵列，提出基于直接路径检测的声源定位方法(见参考文献[1]O.Nadiri and B.Rafaely.Localization of MultipleSpeakers under High Reverberation using a Spherical Microphone Array and theDirect-Path Dominance Test[J].IEEE/ACM transactions on audio,speech,andlanguage processing,22(10),2014，见文献[2]Lior Madmoni and BoazRafaely.Direction of Arrival Estimation for Reverberant Speech Based onEnhanced Decomposition of the Direct Sound[J].IEEE Journal of Selected Topicsin Signal Processing,2018:1-1)，引入频率平滑以缓解信号多径传播的影响，同时利用语音信号的时频稀疏特性，选择直接路径信号占主体的局部时频块，使用现有子空间类(MUSIC，ESPREIT等)方法估计声源位置，从而解决系统欠定问题。但是，频率平滑只能缓解信号多径传播导致的自相关矩阵秩损问题，并不能保证其主特征值仅对应直接路径分量(见文献[2])，可能存在信号强相关甚至相干的情况。而传统的子空间类方法在强相关、强噪声、短时信号等条件下性能迅速下降。因此，现有的直接路径检测声源定位方法对恶劣环境(强噪声，强混响)下的多声源定位问题性能有待进一步提升。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，克服现有方法所遇到的局限，提出一种适用于球麦克风阵列的超分辨声源定位方法，用于解决现有直接路径检测声源定位方法在恶劣环境下性能差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于球麦克风阵列的超分辨声源定位方法，包括如下步骤：

步骤一、球阵采集高阶声场进行球谐波分解和短时傅里叶变换，计算局部时频块的自相关矩阵，并进行频率平滑；

步骤二、将步骤一获得的局部时频块自相关矩阵，代入半定规划问题求解，获得恢复后的球谐波域协方差矩阵；

步骤三、利用步骤二求解得到的球谐波域协方差矩阵作直接路径检测，即对求解得到的球谐波域协方差矩阵作奇异值分解，若最大奇异值与次大奇异值的比值大于阈值，则认为该时频块通过检测；

步骤四、对通过检测的时频块计算空间谱，即利用步骤三中球谐波域协方差矩阵大奇异值对应奇异值矢量作为信号子空间计算空间谱，并将各时频块空间谱叠加，搜索叠加后空间谱的谱峰，获得声源位置。

具体的，为介绍本发明中所述具体步骤，首先给出如下设定：

考虑一个半径为R由I个全向阵元组成的球阵，球阵的第i个阵元位于r_i＝(R,Φ_i)，其中其中θ和分别为仰角和方位角，接收信号表示为X(t)＝[x₁(t),…,x_I(t)]^T，t表示时间。