[发明专利]基于声源阵列的空间麦克风定位方法

摘要

本发明基于声源阵列的空间麦克风定位方法，涉及应用声波用多条由路径差测量确定的位置线的配合确定信号源的位置，利用四个声源的声音信号、参考麦克风和各个声源之间的固定距离实现了三维空间中的麦克风的在线定位，步骤是：声源的四元三维阵列分布；设置参考麦克风；标记待定位麦克风；用麦克风定位单元定位待定位麦克风在空间中的位置。本发明克服了现有技术中存在的信号采集操作较繁琐，效率较低，只能离线计算，无法实现麦克风位置的在线估计以及只针对平面的麦克风阵列进行了位置估计，无法实现空间分布麦克风的位置估计的缺陷。

主权项

1.基于声源阵列的空间麦克风定位方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，声源的四元三维阵列分布：将四个声源按照正四面体的形式空间分布，定义声源1空间坐标为S1(x1,y1,z1)，声源2空间坐标为S2(x2,y2,z2)，声源3空间坐标为S3(x3,y3,z3)，声源4空间坐标为S4(x4,y4,z4)，构建成为一个三维空间坐标系，由此完成声源的四元三维阵列分布，并且规定在此空间分布的麦克风位置的表示都将以此坐标系为基准，上述四个声源依次发声，共产生四个声音信号分别为si(t)(i＝1，2，3，4)；第二步，设置参考麦克风：设置参考麦克风，该参考麦克风到上述第一步中四个声源中的第j个声源的距离为Lj(j＝1,2,3,4)，即参考麦克风到上述第一步中四个声源的距离分别为L1、L2、L3和L4，这四个距离的数值确定为已知且固定不变，同时参考麦克风的位置在距离上述各个声源小于10米的范围之内，即10米≥Lj＞0，保证参考麦克风接收到的各个声源的声音信号强度均为强信号；第三步，标记待定位麦克风：在上述第一步的正四面体的形式空间中，在以长＝60米，宽＝60米，高＝20米的长方体空间范围内，随机分布M＝200个麦克风，上述第一步的四个声源依次产生声音信号，随机分布的麦克风中能够接收到四个声音信号的均被标记为待定位麦克风，待定位麦克风的数量记为N，M≥N≥1；第四步，用麦克风定位单元定位待定位麦克风在空间中的位置：所述麦克风定位单元的操作程序如下：(4.1)四个声源依次产生声音信号，参考麦克风与待定位麦克风接收到四个声音信号：上述第一步的四个声源依次产生声音信号，上述第二步中设置的参考麦克风与上述第三步中的待定位麦克风均会接收到四个声音信号；设定所有麦克风接收到的声音信号模型是理想模型，即这里环境噪声用高斯白噪声近似代替，设定四个声源依次产生的声音信号为si(t)(i＝1，2，3，4)，其中，t表示各个声源发声对应的时间，i＝1,2,3,4，表示四个声源，某一个待定位麦克风接收到的四个声音信号中的某一个声音信号x(t)如下公式(1)所示：x(t)＝αs(t‑τ)+n(t)    (1)，公式(1)中，x(t)表示声音信号x与时间t的函数关系，t为该待定位麦克风接收到声音信号对应的时间，α表示声音信号到麦克风的幅度衰减系数，τ表示声音信号到麦克风的时间延迟、n(t)表示环境噪声信号，s(t‑τ)表示具有时间延迟τ的声源产生的声音信号，s(t)和n(t)互不相关，(4.2)用经典的时延估计法中的广义互相关函数法估计声达时间差：上述第一步的四个声源依次产生的声音信号中的某一个声音信号到达上述第二步中设置的参考麦克风与上述第三步中的某一个待定位麦克风时间差定义为声达时间差，用经典的时延估计法中的广义互相关函数法估计声达时间差，分别为TDOA1、TDOA2、TDOA3、TDOA4；(4.3)计算某一个声源与参考麦克风的距离和该声源与待定位麦克风的距离的差值：定义ΔTij(i＝1,2.....N；j＝1,2,3,4)为上述第二步中设置的参考麦克风与上述第三步的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风接收到上述第一步中四个声源中的第j个声源发出的第j个声音信号的时间差，该时间差ΔTij由测定得到，定义声音在空气中传播速度为C，将前述时间差ΔTij乘以声速C，得到上述第一步中四个声源中的第j个声源与上述第二步中设置的参考麦克风的距离和与上述第三步的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风的距离的差值ΔLij为如下公式(2)所示，ΔLij＝ΔTij·C    (2)，(4.4)计算待定位麦克风与上述某一个声源的距离：根据上述第二步中设置的参考麦克风到上述第一步中四个声源中的第j个声源的距离Lj(j＝1,2,3,4)，以及由公式(2)计算得到的第j个声源到参考麦克风与上述第三步的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风的距离差ΔLij，由公式(3)计算得到上述第三步的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风到上述第一步中四个声源中的第j个声源的距离dij如下：dij＝Lj+ΔLij＝Lj+ΔTij·C    (3)，根据几何关系，通过求解，分别以上述第一步中的四个声源位置为球心，以上述第三步的待定位麦克风到相对应的上述第一步中的每个声源的距离为半径分别绘制的四个球的交点，来确定上述第三步的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风所在空间环境中的位置如下方程式：方程式(4)中，xi,yi,zi表示上述第三步中的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风所在空间环境中的位置，x1、y1、z1；x2、y2、z2；x3、y3、z3；x4、y4、z4依次表示上述第一步中的四个声源的位置，di1、di2、di3、di4分别表示上述第三步中的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风分别到上述第一步中的四个声源中的每个声源的距离，由于上述第一步中的四个声源位置在空间中以正四面体形式分布，因而四个声源两两构成的向量之间互相线性无关，从而保证上述方程式(4)只有一个解，该解即为上述第三步的待定位麦克风到相对应的上述第一步中的每个声源的距离为半径分别绘制的四个球的交点，此交点坐标即为上述第三步的待定位麦克风中的第i个待定位麦克风所在空间中的位置坐标，由此完成基于声源阵列的空间麦克风定位。