CN101295015A

CN101295015A - 声源定位系统及声源定位方法

Info

Publication number: CN101295015A
Application number: CNA2007100979568A
Authority: CN
Inventors: 毛彦杰; 钟裕亮; 张乃加
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-10-29

Abstract

一种声源定位系统及声源定位方法。声源定位系统包括麦克风及运算单元，且各麦克风分别感测目标声源，以输出时域信号。运算单元分别将各时域信号转换为频域信号，并根据各频域信号进行交叉频谱演算，以得到达时间差，并根据各到达时间差及各麦克风的位置以决定目标声源的位置。

Description

声源定位系统及声源定位方法

技术领域

本发明是有关于一种定位系统及其定位方法，且特别是有关于一种声源定位系统及声源定位方法。

背景技术

为了对一目标物进行定位，传统做法是使用一影像定位系统找出目标物的位置。影像定位系统包括影像撷取装置及影像处理单元。影像撷取装置用以撷取欲进行定位的目标物的影像，并据以输出影像资料至影像处理单元。影像处理单元再根据影像撷取装置输出的影像资料计算出目标物的所在位置。

然而，影像信号的资料量大，将造成影像处理单元的处理速度过慢。再者，影像定位系统的硬件需求高，不仅造成生产成本过高，也增加了电源的使用消耗量。此外，影像定位系统也容易受限于环境亮度或天候条件。举例来说，当发生停电或产生浓雾时，影像定位系统即无法找出目标物的所在位置。所以，如何提供一种不同的定位系统以改善影像定位系统所产生的缺点，即成为越来越重要的课题之一。

发明内容

本发明是有关于一种声源定位系统及声源定位方法，是将麦克风输出的时域信号分别转换为频域信号后，根据频域信号进行交叉频谱演算，以得各到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)，并根据各到达时间差及各麦克风的位置来决定目标声源的位置。如此一来，不仅提高定位系统的处理速度，且减少定位系统的硬件需求及电源的使用消耗量。再者，声源定位系统不受限于环境亮度或天候条件，即便是发生停电或产生浓雾，声源定位系统都能精确地找出目标声源的位置。

根据本发明，提出一种声源定位系统，其特征在于，包括：

多数个麦克风，用以感测一目标声源，并据以输出多数个时域信号；以及

一运算单元，用以转换该些时域信号为多数个频域信号，并根据该些频域信号进行交叉频谱演算，以得多数个到达时间差，并根据该些到达时间差及该些麦克风的位置以决定该目标声源的位置。

其中该运算单元分别取样于一特定频带内的该些频域信号，以得多数个取样频域信号，并计算该些取样频域信号的相位差以得该些到达时间差。

其中该特定频带是为一预设值。

其中该特定频带是为该些频域信号中功率最强处的频带。

其中该运算单元根据该些到达时间差、该些麦克风的位置及声速决定该目标声源的位置。

其中该运算单元根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一距离公式决定该目标声源的位置。

其中该运算单元根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一三角函数决定该目标声源的位置。

其中还包括一温度传感器，用以输出一环境温度至该运算单元，以对声速进行修正。

其中当该声源定位系统进行二维平面定位时，该些麦克风的个数至少为3，且配置于同一平面。

其中当该声源定位系统进行三维空间定位时，该些麦克风的个数至少为4，且该些麦克风中，至少有4个麦克风为不共面地配置。

本发明提供一种声源定位方法，其特征在于，包括：

(a)利用多数个麦克风感测一目标声源，并据以输出多数个时域信号；

(b)分别转换该些时域信号为多数个频域信号；

(c)根据该些频域信号进行交叉频谱；以及

(d)根据该些到达时间差及该些麦克风的位置以决定该目标声源的位置。

其中步骤(c)包括：

(c1)分别取样于一特定频带内的该些频域信号，以得多数个取样频域信号；以及

(c2)计算该些取样频域信号的相位差以得该些到达时间差。

其中该特定频带是为一预设值。

其中该特定频带是为该些频域信号中功率最强处的频带。

其中于该步骤(d)中，是根据该些到达时间差、该些麦克风的位置及声速决定该目标声源的位置。

其中于该步骤(d)中，是根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一距离公式决定该目标声源的位置。

其中于该步骤(d)中，是根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一三角函数决定该目标声源的位置。

其中还包括：

(f)感测环境温度，以对声速进行修正。

其中当进行二维平面定位时，该些麦克风的个数至少为3，且配置于同一平面。

其中进行三维空间定位时，该些麦克风的个数至少为4，且该些麦克风中，至少有4个麦克风不配置于同一平面。

最后，根据各到达时间差及各麦克风的位置以决定目标声源的位置。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1绘示系为麦克风与球面声场模型图。

图2绘示系为麦克风与平面声场模型图。

图3绘示系为依照本发明一实施例的一种声源定位系统的方块图。

图4绘示系为麦克风配置于二维平面时感测目标声源的示意图。

图5绘示系为麦克风配置于三维空间时感测目标声源的示意图。

图6绘示系为依照本发明一实施例的一种声源定位方法的流程图。

具体实施方式

请参照图1，其绘示系为麦克风与球面声场模型图。当目标声源S为点状声源时，将发出球状波前(WaveFront)并分别于时间t₁～t_n进入麦克风110(1)至110(n)，而n是不为零的正整数。其中，同一球状波前进入麦克风110(2)与麦克风110(1)的到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)为(t₂-t₁)，而同一球状波前进入麦克风110(3)与麦克风110(1)的到达时间差为(t₃-t₁)。以此类推，同一球状波前进入麦克风110(n)与麦克风110(1)的到达时间差为(t_n-t₁)。当声速为c时，则麦克风110(2)至目标声源S与麦克风110(1)至目标声源S的距离差为c(t₂-t₁)，而麦克风110(3)至目标声源S与麦克风110(1)至目标声源S的距离差为c(t₃-t₁)。以此类推，麦克风110(n)至目标声源S与麦克风110(1)至目标声源S的距离差为c(t_n-t₁)。

请参照图2，其绘示是为麦克风与平面声场模型图。当目标声源S距离麦克风110(1)至110(n)无限远时，则图1所绘示的球状波前于图2中可近似为平面波前，每一平面波前皆与声波的行进方向近似垂直。当声速为c时，则麦克风110(2)至目标声源S与麦克风110(1)至目标声源S的距离差为c(t₂-t₁)，而麦克风110(3)至目标声源S与麦克风110(1)至目标声源S的距离差为c(t₃-t₁)。以此类推，麦克风110(n)至目标声源S与麦克风110(1)至目标声源S的距离差为c(t_n-t₁)。

由于平面声场模型仅为球面声场模型的目标声源S于无穷远处的特例，故下述实施例以球面声场模型为例说明。

请参照图3，其绘示是为依照本发明一实施例的一种声源定位系统的方块图。声源定位系统10包括麦克风110(1)至110(n)及运算单元120，其中，n是不为零的正整数。麦克风110(1)至110(n)用以感测目标声源S，并据以输出时域信号T(1)至T(n)。

运算单元120于接收麦克风110(1)至110(n)所输出的时域信号T(1)至T(n)后，将时域信号T(1)至T(n)分别转换为频域信号。其中，运算单元120例如是经由快速傅利叶转换(FastFourier Transform，FFT)将时域信号T(1)至T(n)转换为频域信号。

运算单元120根据频域信号T(1)至T(n)进行交叉频谱(Cross Spectrum)演算，以得目标声源S的波前进入麦克风110(2)至110(n)与目标声源S的波前进入麦克风110(1)之间的到达时间差(t₂-t₁)～(t_n-t₁)，并根据到达时间差(t₂-t₁)～(t_n-t₁)、麦克风110(1)至110(n)的所在位置及声速c来决定目标声源S的位置。而声源定位系统10还可包括一温度传感器130。温度传感器130用以输出环境温度至运算单元120，以供运算单元120对声速c的大小进行修正。

进一步来说，当时域信号T(1)至T(n)转换为频域信号后，运算单元120分别取样于一特定频带内的频域信号，以得多数个取样频域信号。并计算各取样频域信号之间的相位差，以得目标声源S的波前进入麦克风110(2)至110(n)与目标声源S的波前进入麦克风110(1)之间的到达时间差(t₂-t₁)～(t_n-t₁)。其中，特定频带可以为一预设值，或者，由运算单元120找出频域信号T(1)至T(n)中功率最强处的频带为特定频带。

举例来说，人类声音的频率一般在200Hz至2KHz的频带范围内。将特定频带可预设为200H z至2KHz之间，可使运算单元120针对人类的说话声音进行分析，以避免环境噪音的干扰。

或者，由运算单元120找出频域信号T(1)至T(n)中功率最强处的频带。由于目标声源S一般多为能量最强的声源，所以，运算单元120针对频域信号T(1)至T(n)中功率最强处的频带进行分析，能进一步地避免环境噪音的干扰。

请参照图4，其绘示是为麦克风配置于二维平面时感测目标声源的示意图。当声源定位系统10进行二维平面定位时，系使用至少3支麦克风，并将此3支麦克风配置于同一平面。运算单元120根据各到达时间差、各麦克风的位置、声速c及距离公式以决定目标声源S的位置。

举例来说，目标声源S、麦克风110(1)、麦克风110(2)及麦克风110(3)的坐标分别为(x_s，y_s)、(x₁，y₁)、(x₂，y₂)及(x₃，y₃)，将坐标代入距离公式可得麦克风110(1)至110(3)与目标声源S之间的距离分别为

及

麦克风10(2)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差b即为

\sqrt{{(x_{s} - x_{2})}^{2} + {(y_{s} - y_{2})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2}},

而麦克风110(3)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差a即为

\sqrt{{(x_{s} - x_{3})}^{2} + {(y_{s} - y_{3})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2}} .

由于麦克风110(2)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差b亦等于c(t₂-t₁)，且麦克风110(3)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差a亦等于c(t₃-t₁)，故可联立下列方程式(1)及(2)：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x_{s} - x_{2})}^{2} + {(y_{s} - y_{2})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2}} = c (t_{2} - t_{1}) - - - (1) \\ \sqrt{{(x_{s} - x_{3})}^{2} + {(y_{s} - y_{3})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2}} = c (t_{3} - t_{1}) - - - (2) \end{matrix}

由于坐标(x₁，y₁)、坐标(x₂，y₂)及坐标(x₃，y₃)、声速c、到达时间差(t₃-t₁)及到达时间差(t₂-t₁)皆为已知，故运算单元120经解联立方程式(1)及(2)，即求出坐标(x_s，y_s)。坐标(x_s，y_s)即为目标声源S的位置。

除此之外，运算单元120亦可根据各到达时间差、各麦克风的位置、声速c及三角函数以决定目标声源S的位置。

举例来说，三角函数例如为余弦公式。目标声源S与麦克风110(1)之间的距离为r，麦克风110(2)与麦克风110(1)之间的距离d1为

而麦克风110(3)与麦克风110(1)之间的距离d2为

将距离r、距离d1、距离d2、距离差a及距离差b代入余弦公式可联立下列方程式(3)及(4)：

\{\begin{matrix} \frac{r^{2} + d_{2}^{2} - {(a + r)}^{2}}{2 r d_{2}} = \cos θ_{1} - - - (3) \\ \frac{r^{2} + d_{1}^{2} - {(b + r)}^{2}}{2 r d_{1}} = \cos θ_{1} - - - (4) \end{matrix}

由于距离d1为

距离d2为

距离差a等于c(t₃-t₁)及距离差b等于c(t₂-t₁)，此皆为已知，故运算单元120经解联立方程式(3)及(4)，即求出距离r及cosθ₁。运算单元120再取cosθ₁的反余弦运算以得到达角θ₁(Direction OfArrival，DOA)，并根据距离r及到达角θ₁决定目标声源S的位置。

请参照图5，其绘示是为麦克风配置于三维空间时感测目标声源的示意图。声源定位系统10不仅能对目标声源S进行二维平面定位，亦可对三维空间中的目标声源S进行定位。当声源定位系统10进行三维空间定位时，是使用至少4支麦克风，并将此4支麦克风不共面地配置。运算单元120根据各到达时间差、各麦克风的位置、声速c及距离公式以决定目标声源S的位置。

举例来说，目标声源S、麦克风110(1)、麦克风110(2)、麦克风110(3)及麦克风110(4)的坐标分别为(x_s，y_s，z_s)、(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)及(x₄，y₄，z₄)，将坐标代入距离公式可得麦克风110(1)至110(3)与目标声源S之间的距离分别为

\sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}},

\sqrt{{(x_{s} - x_{2})}^{2} + {(y_{s} - y_{2})}^{2} + {(z_{s} - z_{2})}^{2}},

\sqrt{{(x_{s} - x_{3})}^{2} + {(y_{s} - y_{3})}^{2} + {(z_{s} - z_{3})}^{2}},

及

\sqrt{{(x_{s} - x_{4})}^{2} + {(y_{s} - y_{4})}^{2} + {(z_{s} - z_{4})}^{2}} .

由此可知，麦克风110(2)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差即为

\sqrt{{(x_{s} - x_{2})}^{2} + {(y_{s} - y_{2})}^{2} + {(z_{s} - z_{2})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}};

麦克风110(3)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差即为

\sqrt{{(x_{s} - x_{3})}^{2} + {(y_{s} - y_{3})}^{2} + {(z_{s} - z_{3})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}};

麦克风110(4)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差即为

\sqrt{{(x_{s} - x_{4})}^{2} + {(y_{s} - y_{4})}^{2} + {(z_{s} - z_{4})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}} .

由于麦克风110(2)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差亦等于c(t₂-t₁)；麦克风110(3)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差亦等于c(t₃-t₁)；麦克风110(4)及麦克风110(1)至目标声源S的距离差亦等于c(t₄-t₁)，故可联立下列方程式(1)、(2)及(3)：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x_{s} - x_{2})}^{2} + {(y_{s} - y_{2})}^{2} + {(z_{s} - z_{2})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}} = c (t_{2} - t_{1}) \\ (1) \\ \sqrt{{(x_{s} - x_{3})}^{2} + {(y_{s} - y_{3})}^{2} + {(z_{s} - z_{3})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}} = c (t_{3} - t_{1}) \\ (2) \\ \sqrt{{(x_{s} - x_{4})}^{2} + {(y_{s} - y_{4})}^{2} + {(z_{s} - z_{4})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{1})}^{2} + {(y_{s} - y_{1})}^{2} + {(z_{s} - z_{1})}^{2}} = c (t_{4} - t_{1}) \\ (3) \end{matrix}

由于坐标(x₁，y₁)、坐标(x₂，y₂)、坐标(x₃，y₃)及坐标(x₄，y₄)、声速c、到达时间差(t₂-t₁)、到达时间差(t₃-t₁)及到达时间差(t₄-t₁)皆为已知，故可解联立方程式(1)至(3)，求出坐标(x_s，y_s，z_s)。坐标(x_s，y_s，z_s)即为目标声源S的位置。

请参照图6，其绘示系为依照本发明一实施例的一种声源定位方法的流程图。声源定位方法系用于前述的声源定位系统10，且声源定位方法包括如下步骤：

首先，如步骤610所示，利用麦克风110(1)至110(n)感测目标声源S，并据以输出时域信号T(1)至T(n)至运算单元120。

接着如步骤620所示，运算单元120将时域信号T(1)至T(n)分别转换为对应的各频域信号。其中，运算单元120例如系经由傅利叶转换(Fourier Transform，FT)或快速傅利叶转换(FastFourier Transform，FFT)将时域信号T(1)至T(n)转换为频域信号。

然后如步骤630所示，运算单元120根据各频域信号进行交叉频谱演算，以得到达时间差(t₂-t₁)～(t_n-t₁)。

最后如步骤640所示，运算单元120根据到达时间差(t₂-t₁)～(t_n-t₁)及麦克风110(1)至110(n)的位置以决定目标声源S的位置。

本发明上述实施例所揭露的声源定位系统及其声源定位方法，系经由交叉频谱(Cross Spectrum)演算，以得各到达时间差。再依据各到达时间差及各麦克风的位置，决定目标声源的位置。

此外，本发明上述实施例所揭露的声源定位系统及其声源定位方法系至少具有如下特点：首先，由于声音信号的资料量小于影像信号的资料量，所以，将提高运算单元的处理速度而改善传统影像定位系统处理速度过慢的缺点。再者，声源定位系统的硬件需求较传统影像定位系统低，不仅能降低生产成本，更能减少电源的使用消耗量。再者，声源定位系统不受限于环境亮度或天候条件，即便是发生停电或产生浓雾，声源定位系统都能精确地找出目标声源的位置。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定的为准。

Claims

1.一种声源定位系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中该运算单元分别取样于一特定频带内的该些频域信号，以得多数个取样频域信号，并计算该些取样频域信号的相位差以得该些到达时间差。

3.如权利要求2所述的声源定位系统，其特征在于，其中该特定频带是为一预设值。

4.如权利要求2所述的声源定位系统，其特征在于，其中该特定频带是为该些频域信号中功率最强处的频带。

5.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中该运算单元根据该些到达时间差、该些麦克风的位置及声速决定该目标声源的位置。

6.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中该运算单元根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一距离公式决定该目标声源的位置。

7.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中该运算单元根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一三角函数决定该目标声源的位置。

8.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中还包括一温度传感器，用以输出一环境温度至该运算单元，以对声速进行修正。

9.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中当该声源定位系统进行二维平面定位时，该些麦克风的个数至少为3，且配置于同一平面。

10.如权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，其中当该声源定位系统进行三维空间定位时，该些麦克风的个数至少为4，且该些麦克风中，至少有4个麦克风为不共面地配置。

11.一种声源定位方法，其特征在于，包括：

(b)分别转换该些时域信号为多数个频域信号；

(c)根据该些频域信号进行交叉频谱；以及

12.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中步骤(c)包括：

(c1分别取样于一特定频带内的该些频域信号，以得多数个取样频域信号；以及

(c2)计算该些取样频域信号的相位差以得该些到达时间差。

13.如权利要求12所述的声源定位方法，其特征在于，其中该特定频带是为一预设值。

14.如权利要求12所述的声源定位方法，其特征在于，其中该特定频带是为该些频域信号中功率最强处的频带。

15.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中于该步骤(d)中，是根据该些到达时间差、该些麦克风的位置及声速决定该目标声源的位置。

16.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中于该步骤(d)中，是根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一距离公式决定该目标声源的位置。

17.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中于该步骤(d)中，系根据该些到达时间差、该些麦克风的位置、声速及一三角函数决定该目标声源的位置。

18.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中还包括：

(f)感测环境温度，以对声速进行修正。

19.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中当进行二维平面定位时，该些麦克风的个数至少为3，且配置于同一平面。

20.如权利要求11所述的声源定位方法，其特征在于，其中进行三维空间定位时，该些麦克风的个数至少为4，且该些麦克风中，至少有4个麦克风不配置于同一平面。