本發(fā)明涉及聲源定位方法，特別涉及一種基于相位差回歸的單聲源定位方法。

背景技術(shù)：

聲源定位包括單聲源定位和多聲源定位，聲源定位技術(shù)可以指示聲源目標(biāo)所在的空間方位，為后續(xù)的信息采集與處理提供重要的空間信息。

由于具有高時(shí)間分辨率和高計(jì)算效率的優(yōu)點(diǎn)，相位差回歸被廣泛應(yīng)用于估計(jì)波達(dá)方向。然而，傳統(tǒng)的回歸方法很少采用平面陣列來(lái)進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)。同時(shí)，傳統(tǒng)的回歸方法忽略了兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是關(guān)于相位差的周期性問(wèn)題，另一個(gè)是信號(hào)增強(qiáng)可以有效地抑制聲學(xué)干擾。另外，傳統(tǒng)的聲源定位方法普遍采用格點(diǎn)搜索的方法，這將帶來(lái)巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服已有的單聲源定位方法中存在的計(jì)算量大，缺乏聲學(xué)魯棒性等缺陷，利用相位差回歸提出一種魯棒而高效的單聲源定位方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于相位差回歸的單聲源定位方法，包括：

步驟1)、將通過(guò)麥克風(fēng)陣列接收的聲源信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲音信號(hào)；

步驟2)、對(duì)所述數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后提取麥克風(fēng)陣列中每個(gè)麥克風(fēng)的數(shù)字聲音信號(hào)的頻譜；

步驟3)、利用相鄰時(shí)間相同頻點(diǎn)上所有麥克風(fēng)的數(shù)字聲音信號(hào)的頻譜計(jì)算t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)的空間相關(guān)矩陣；

步驟4)、對(duì)步驟3)得到的t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上的空間相關(guān)矩陣進(jìn)行分解，得到t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上的主特征向量；所述主特征向量的每一個(gè)分量對(duì)應(yīng)一個(gè)麥克風(fēng)的采集信號(hào)；

步驟5)、利用步驟4)得到的t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上的主特征向量求取t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上M對(duì)麥克風(fēng)的相位差集合；其中，M等于K(K-1)/2，K為麥克風(fēng)陣列中的麥 克風(fēng)數(shù)；

步驟6)、采用迭代的方法，對(duì)相位差進(jìn)行回歸，得到t時(shí)刻聲源的入射方向角。

上述技術(shù)方案中，在步驟2)中，對(duì)所述數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理包括：對(duì)每一幀的數(shù)字聲音信號(hào)先補(bǔ)零到N點(diǎn)，N＝2ⁱ，i為整數(shù)，且i≥8；然后，對(duì)每一幀的數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行加窗或預(yù)加重處理。

上述技術(shù)方案中，所述步驟3)進(jìn)一步包括：

計(jì)算以f頻點(diǎn)為中心的相鄰時(shí)間頻點(diǎn)上自相關(guān)矩陣的均值R_t,f，

其中，A表示與t時(shí)刻相鄰時(shí)間的幀數(shù)；x_t,f為t時(shí)刻、第f個(gè)頻點(diǎn)上生成的一個(gè)復(fù)數(shù)向量：x_t,f＝{Y_1,t,f,Y_2,t,f…Y_K,t,f}；Y_k,t,f表示t時(shí)刻第k個(gè)麥克風(fēng)采集信號(hào)的第f個(gè)頻點(diǎn)的傅里葉變換系數(shù)，k＝1,2…K,f＝0,1,…N-1；

所求得的R_t,f就是x_t,f的空間相關(guān)矩陣。

上述技術(shù)方案中，所述步驟5)進(jìn)一步包括：

計(jì)算由第p個(gè)和第q個(gè)麥克風(fēng)組成的第m對(duì)麥克風(fēng)的相位差ψ_m,t,f，m＝1,2,...,M：

ψ_m,t,f＝∠u_p,t,f-∠u_q,t,f

其中∠(.)表示求取復(fù)數(shù)相位的操作；u_p,t,f與u_q,t,f為在t時(shí)刻第f頻點(diǎn)上、主特征向量[u_1,t,f,u_2,t,f,…,u_K,t,f]的第p和第q個(gè)分量；

在t時(shí)刻第f頻點(diǎn)上，根據(jù)第m對(duì)麥克風(fēng)的距離d_m約束，得到相位差集合B_m,t,f：

B_m,t,f＝{ψ_m,t,f|-ω_fd_m/c≤ψ_m,t,f≤ω_fd_m/c}，m＝1,2,…,M；

其中，c為聲速，ω_f為數(shù)字角頻率。

上述技術(shù)方案中，所述步驟6)進(jìn)一步包括：

步驟6-1)、選取初始的聲源入射方向

步驟6-2)、令從步驟5)所得到的每個(gè)相位差集合B_m,t,f中選取一個(gè)相位差值滿足：

其中，g_m＝(g_m,x,g_m,y,g_m,z)表示第m對(duì)麥克風(fēng)連線的方向單位矢量；

計(jì)算限制相位差的誤差到[-π,π]所需的周期數(shù)，得到l_m,t,f：

步驟6-3)、求取新的權(quán)重系數(shù)w_m,t,f；其計(jì)算公式如下：

其中：

其中，M表示麥克風(fēng)的對(duì)數(shù)，F(xiàn)為傅里葉變換點(diǎn)數(shù)的一半，MF表示回歸所用到的所有頻點(diǎn)數(shù)；

步驟6-4)、計(jì)算新的聲源入射方向其計(jì)算公式如下：

其中：g′_m＝(g_mx,g_my)；

步驟6-5)、判斷步驟6-4)所得到的是否收斂；如果判斷結(jié)果是肯定的，轉(zhuǎn)入步驟6-6)；否則，轉(zhuǎn)入步驟6-2)繼續(xù)執(zhí)行；

步驟6-6)，計(jì)算聲源入射方向的方位角；計(jì)算方法為：

上述技術(shù)方案中，所述步驟6-1)進(jìn)一步包括：

首先，根據(jù)步驟5)得到的相位差集合得到時(shí)間延遲集合，選擇時(shí)間延遲集合中出現(xiàn)頻率最高的時(shí)間延遲作為初始化的延時(shí)并以此為依據(jù)進(jìn)行解空間混疊操作，得到限制相位差所述限制相位差在初始化時(shí)的計(jì)算公式為：

接著，計(jì)算限制相位差到[-π,π]所需的周期數(shù)，得到l_m,t,f；其計(jì)算公式為：

然后，將權(quán)重系數(shù)設(shè)為1/MF，

最后，利用權(quán)重系數(shù)計(jì)算初始的聲源入射方向得到初始化的其計(jì)算公式如下：

其中：g′_m＝(g_mx,g_my)。

上述技術(shù)方案中，在步驟6-5)中，判斷是否收斂的方法為：

判斷是否小于門限值ε，其中取ε＝0.01。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的方法限制了相位差的誤差，并同時(shí)解決了空間混疊；

2、本發(fā)明提出的基于相位差回歸的單聲源定位方法利用了信號(hào)增強(qiáng)和權(quán)重系數(shù)衡量可靠性，從而實(shí)現(xiàn)了魯棒的單聲源定位方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于相位差回歸的單聲源定位方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明的基于相位差回歸的單聲源定位方法中計(jì)算單聲源入射方向方位角步驟的流程圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

參考圖1，本發(fā)明的方法包括以下步驟：

步驟101)、將通過(guò)麥克風(fēng)陣列接收的聲源信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲音信號(hào)；其中，所述麥克風(fēng)陣列包括有K個(gè)麥克風(fēng)。

步驟102)、對(duì)數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)提取每個(gè)麥克風(fēng)的數(shù)字聲音信號(hào)的頻譜。

所述對(duì)數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理包括：對(duì)每一幀的數(shù)字聲音信號(hào)先補(bǔ)零到N點(diǎn)，N＝2ⁱ，i為整數(shù)，且i≥8；然后，對(duì)每一幀的數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行加窗或預(yù)加重處理，加窗函數(shù)采用漢明窗(hamming)或哈寧窗(hanning)。

對(duì)t時(shí)刻的數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到t時(shí)刻的數(shù)字聲音信號(hào)的離散頻譜為：

其中，y_k,t,n表示t時(shí)刻第k個(gè)麥克風(fēng)采集信號(hào)的第n個(gè)采樣點(diǎn)，Y_k,t,f(k＝1,2…K,f＝0,1,…N-1)表示t時(shí)刻第k個(gè)麥克風(fēng)采集信號(hào)的第f個(gè)頻點(diǎn)的傅里葉變換系數(shù)。

步驟103)、利用相鄰時(shí)間相同頻點(diǎn)上所有麥克風(fēng)的數(shù)字聲音信號(hào)的頻譜計(jì)算t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)的空間相關(guān)矩陣；

設(shè)x_t,f為t時(shí)刻、第f個(gè)頻點(diǎn)上生成的一個(gè)復(fù)數(shù)向量：x_t,f＝{Y_1,t,f,Y_2,t,f…Y_K,t,f},其自相關(guān)矩陣為：其中：()^H表示共軛轉(zhuǎn)置；

復(fù)數(shù)自相關(guān)矩陣R_t,f表示為以f頻點(diǎn)為中心的相鄰時(shí)間頻點(diǎn)上自相關(guān)矩陣的均值：

其中，A表示與t時(shí)刻相鄰時(shí)間的幀數(shù)；

所求得的R_t,f就是x_t,f的空間相關(guān)矩陣。

步驟104)，對(duì)步驟103)得到的t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上的空間相關(guān)矩陣進(jìn)行分解，得到t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上的主特征向量；所述主特征向量的每一個(gè)分量對(duì)應(yīng)一個(gè)麥克風(fēng)的采集信號(hào)；

步驟105)，利用步驟104)得到的t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上的主特征向量求取t時(shí)刻每個(gè)頻點(diǎn)上M對(duì)麥克風(fēng)的相位差集合；其中，M等于K(K-1)/2；具體過(guò)程為：

在t時(shí)刻第f頻點(diǎn)上，主特征向量表示為：[u_1,t,f,u_2,t,f,…,u_K,t,f]，由第p個(gè)和第q個(gè)麥克風(fēng)組成的第m(m＝1,2,...,M)對(duì)麥克風(fēng)的相位差ψ_m,t,f為：

ψ_m,t,f＝∠u_p,t,f-∠u_q,t,f

其中∠(.)表示求取復(fù)數(shù)相位的操作；

在t時(shí)刻第f頻點(diǎn)上，根據(jù)第m對(duì)麥克風(fēng)的距離d_m約束，得到相位差集合B_m,t,f：

B_m,t,f＝{ψ_m,t,f|-ω_fd_m/c≤ψ_m,t,f≤ω_fd_m/c}，m＝1,2,…,M

其中，c為聲速，ω_f為數(shù)字角頻率。

步驟106)、采用迭代的方法，對(duì)相位差進(jìn)行回歸，得到t時(shí)刻聲源的入射方向角。參考圖2，具體實(shí)施步驟如下：

步驟106-1)、選取初始的聲源入射方向

首先，根據(jù)步驟105)得到的相位差集合得到時(shí)間延遲集合，選擇時(shí)間延遲集合中出現(xiàn)頻率最高的時(shí)間延遲作為初始化的延時(shí)并以此為依據(jù)進(jìn)行解空間混疊操作，得到限制相位差所述限制相位差在初始化時(shí)的計(jì)算公式為：

接著，計(jì)算限制相位差到[-π,π]所需的周期數(shù)，得到l_m,t,f；其計(jì)算公式為：

然后，將權(quán)重系數(shù)設(shè)為1/MF，其中，M表示麥克風(fēng)的對(duì)數(shù)，F(xiàn)是傅里葉變換點(diǎn)數(shù)的一半，MF表示回歸所用到的所有頻點(diǎn)數(shù)。

最后，利用權(quán)重系數(shù)計(jì)算初始的聲源入射方向得到初始化的其計(jì)算公式如下：

其中：g′_m＝(g_mx,g_my)。

步驟106-2)，令從步驟105)所得到的每個(gè)相位差集合B_m,t,f中選取一個(gè)相位差值滿足：

其中，g_m＝(g_m,x,g_m,y,g_m,z)表示第m對(duì)麥克風(fēng)連線的方向單位矢量。

計(jì)算限制相位差的誤差到[-π,π]所需的周期數(shù)，得到l_m,t,f：

步驟106-3)、求取新的權(quán)重系數(shù)w_m,t,f；其計(jì)算公式如下：

其中：

其中，M表示麥克風(fēng)的對(duì)數(shù)，F(xiàn)為傅里葉變換點(diǎn)數(shù)的一半，MF表示回歸所用到的所有頻點(diǎn)數(shù)。

步驟106-4)、計(jì)算新的聲源入射方向其計(jì)算公式如下：

其中：g′_m＝(g_mx,g_my)。

步驟106-5)、判斷步驟106-4)所得到的是否收斂；如果判斷結(jié)果是肯定的，轉(zhuǎn)入步驟106-6)；否則，轉(zhuǎn)入步驟106-2)繼續(xù)執(zhí)行；

在本實(shí)施例中，判斷是否收斂的方法為：

判斷是否小于門限值ε，其中取ε＝0.01。

步驟106-6)，計(jì)算聲源入射方向的方位角；計(jì)算方法為：

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。