CN103176167B - 一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，通过分布在三维空间中的麦克风阵列采集声波信号，并测量声波到达各个麦克风的相位差，同时计算出时间差，并根据该到达时间差计算出到达距离差，再由距离差建立数学模型得到双曲线，然后旋转得到双曲面，再求解这些双曲面的交点，并排除无关交点，最后所得到的交点位置就是声源的位置，本发明采用了锁相放大器的原理，巧妙的建立了数学模型求交点，从而确定声源的位置，可以实现在十分吵杂环境中提取有用信号的幅值和相位信息，能够快速准确的确定声源的位置，即使声源在不断的移动，也可以很好的实现实时跟踪。

Description

一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法

技术领域

本发明涉及一种声源定位方法，尤其涉及一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，属于声音定位技术领域。 

背景技术

现在通常声源定位技术指的是语音信号的定位技术，在时间域里，语音信号用它的时间波形来表示，语音信号属于短时平稳信号。在频率里，语音信号是宽带的信号，频带范围20Hz到20KHz。现在常用的用于语音信号的时延估计方法有：广义互相关时延估计法、倒谱预滤波时延估计法、互功率谱相位时延估计法、结合语音特性的基音加权时延估计法、基于人耳感知特性的时延估计、基于LMS的自适应时延估计法、基于子空间分解的时延估计法、基于声学传递函数比的时延估计法等等。但是这些方法都具有运算量大，算法较复杂等的缺点，若声源距离较远，麦克风采集会来的信号的信噪比很低，有用信号一般淹没于噪声中，采用上面的这些方法都不能很好的应用在这样的场合。这些方法不适合于用于窄带信号的定位。

中国专利授权公告号为：CN101957443A，公告日为：2011年1月26日的发明专利公开了一种声源定位方法，包括：建立声源信号的混叠模型、采用三维声测量阵列采集被测声源在X、Y、Z三个方向的混合声信号、消噪处理获得干净的观测信号、估计出被测声源的分离矩阵、获得频响矩阵、采用基于峰值检测的整体波达方向估计策略，一次性地获得对所有声源信号波达方向的准确估计及利用空间几何的相关知识，进行空间角度计算，最终实现声源信号的空间定位等步骤。但是该定位方法的计算过程复杂，计算量较大，通过空间角度的计算实现定位容易导致对声源的定位不准确，如果声源在不断的移动时，不能实现实时跟踪。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的计算过程复杂，计算量较大，对声源的定位不准确，如果声源在不断的移动时，不能实现实时跟踪的缺陷和不足，现提供一种计算过程简单，对声源的定位准确，如果声源在不断的移动时，能够实现实时跟踪的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，包括以下步骤：

a、麦克风阵列采集到的信号分别通过信号输入端进入前置放大器中对信号进行放大，随后通过带通滤波器滤波后再将信号分别送入到SINPSD模块和COSPSD模块中进行运算；

b、将外界产生同频率的参考信号通过参考信号输入端输入到整形电路中，整形后形成同频率的方波，随后方波进入到90°移相电路模块中经处理后输出两个相差90°相位的方波信号，方波信号分别送入到SINPSD模块和COSPSD模块中，SINPSD模块和COSPSD模块分别具有两个信号输入端，一个信号输出端，输出信号是两个输入信号的时域相乘；

c、SINPSD模块中的信号送入第二低通滤波器中进行处理，COSPSD模块中的信号送入第一低通滤波器中进行处理；

d、第一低通滤波器输出的信号同时输入矢量运算器和反正切矢量运算器中进行运算，第二低通滤波器输出的信号也同步输入矢量运算器和反正切矢量运算器中进行运算；

e、矢量运算器运算后得到的幅值从幅值输出端输出，反正切矢量运算器运算后得到的相位从相位输出端输出，然后将两信号的相位相减得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差；

f、然后以麦克风阵列中第一麦克风和第二麦克风的位置作为双曲线a的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线b的轨迹，随后以麦克风阵列中第二麦克风和第三麦克风的位置作为双曲线c1的焦点，以同样的方法建立双曲线方程并确定对应的双曲线b1的轨迹，同时还在不同的平面上以第五麦克风和第六麦克风的位置作为双曲线c2的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线c2的轨迹；

g、再将双曲线a、双曲线b以及双曲线c1分别以各自两个焦点的连线为转轴，旋转360度后得到双曲面，并联立方程组求交点，该联立的双曲面方程组为：                         

   ，其中第二麦克风、第一麦克风之间的距离差为，第四麦克风、第三麦克风之间的距离差为2，第五麦克风、第六麦克风之间的距离差为；

h、最后根据麦克风阵列中两个麦克风之间的相位差或声音到达各麦克风的先后顺序排除不符合要求的交点，最终得到唯一的交点，该交点就是声源的实际位置。

所述e步骤中相位差以及距离差的计算方法如下：相位差为，时间差为，声音信号频率为f，声音在空气中传播速度为v，距离差为，则：；。

所述矢量运算器为能进行平方后求和并进行开方运算的矢量运算器。

所述信号输入端和参考信号输入端输入的两路信号频率相同。

所述信号输入端输入的音频频谱范围为20Hz到20KHz。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过分布在三维空间中的麦克风阵列采集声波信号，并测量声波到达各个麦克风的相位差，同时计算出时间差，并根据该到达时间差计算出到达距离差，再由距离差建立数学模型得到双曲线，然后旋转得到双曲面，求交点确定声源的位置。

2、本发明通过麦克风之间的相位差或声音到达各麦克风的先后顺序排除不符合要求的交点，最终得到唯一的交点，保证了声源定位的准确性。

3、本发明采用锁相放大器的原理，可以实现在十分吵杂环境中提取有用信号的幅值和相位信息，能够快速准确的确定声源的位置，即使声源在不断的移动，也可以很好的实现实时跟踪。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是参考信号与输入信号相位为0°时的波形图。

图3是参考信号与输入信号相位为90°的波形图。

图4是参考信号与输入信号相位为180°的波形图。

图5是二维平面内确定声源位置的第一种实施方式。

图6是二维平面内确定声源位置的第二种实施方式。

图7是三维立体空间中确定声源位置的示意图。

 图中：信号输入端1，参考信号输入端2，前置放大器3，整形电路4，带通滤波器5，SINPSD模块6，COSPSD模块7，90°移相电路模块8，第一低通滤波器9，第二低通滤波器10，矢量运算器11，反正切矢量运算器12，幅值输出端13，相位输出端14，第一麦克风，第二麦克风，第三麦克风，第四麦克风，第五麦克风，第六麦克风。 

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。 

参见图1至图7，本发明的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，包括以下步骤：

a、麦克风阵列采集到的信号分别通过信号输入端1进入前置放大器3中对信号进行放大，随后通过带通滤波器5滤波后再将信号分别送入到SINPSD模块6和COSPSD模块7中进行运算；

b、将外界产生同频率的参考信号通过参考信号输入端2输入到整形电路4中，整形后形成同频率的方波，随后方波进入到90°移相电路模块8中经处理后输出两个相差90°相位的方波信号，方波信号分别送入到SINPSD模块6和COSPSD模块7中，SINPSD模块6和COSPSD模块7分别具有两个信号输入端，一个信号输出端，输出信号是两个输入信号的时域相乘；

c、SINPSD模块6中的信号送入第二低通滤波器10中进行处理，COSPSD模块7中的信号送入第一低通滤波器9中进行处理；

d、第一低通滤波器9输出的信号同时输入矢量运算器11和反正切矢量运算器12中进行运算，第二低通滤波器10输出的信号也同步输入矢量运算器11和反正切矢量运算器12中进行运算；

e、矢量运算器11运算后得到的幅值从幅值输出端13输出，反正切矢量运算器12运算后得到的相位从相位输出端14输出，然后将两信号的相位相减得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差；

f、然后以麦克风阵列中第一麦克风和第二麦克风的位置作为双曲线a的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线b的轨迹，随后以麦克风阵列中第二麦克风和第三麦克风的位置作为双曲线c1的焦点，以同样的方法建立双曲线方程并确定对应的双曲线b1的轨迹，同时还在不同的平面上以第五麦克风和第六麦克风的位置作为双曲线c2的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线c2的轨迹；

g、再将双曲线a、双曲线b以及双曲线c1分别以各自两个焦点的连线为转轴，旋转360度后得到双曲面，并联立方程组求交点，该联立的双曲面方程组为：                         

   ，其中第二麦克风、第一麦克风之间的距离差为，第四麦克风、第三麦克风之间的距离差为2，第五麦克风、第六麦克风之间的距离差为；

h、最后根据麦克风阵列中两个麦克风之间的相位差或声音到达各麦克风的先后顺序排除不符合要求的交点，最终得到唯一的交点，该交点就是声源的实际位置。

所述e步骤中相位差以及距离差的计算方法如下：相位差为，时间差为，声音信号频率为f，声音在空气中传播速度为v，距离差为，则：；。

所述矢量运算器11为能进行平方后求和并进行开方运算的矢量运算器。

所述信号输入端1和参考信号输入端2输入的两路信号频率相同。

所述信号输入端1输入的音频频谱范围为20Hz到20KHz。

麦克风阵列由第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风、第五麦克风和第六麦克风构成，并在空间中排布，参见图7。各硬件的工作原理和过程如下：首先麦克风阵列采集到的信号通过信号输入端1进入前置放大器3中对信号进行放大，随后通过带通滤波器5后再将信号分别送入到SINPSD模块6和COSPSD模块7中，参考信号在外界产生并通过参考信号输入端2进入整形电路4中进行整形成同频率的方波。随后方波进入到90°移相电路模块8中经处理后输出两个相差90°相位的方波信号，方波信号分别送入到SINPSD模块6和COSPSD模块7中，SINPSD模块6中的信号送入第一低通滤波器9中进行处理，COSPSD模块7中的信号送入第二低通滤波器10中进行处理，第一低通滤波器9输出的信号同时输入矢量运算器11和反正切矢量运算器12中进行运算，第二低通滤波器10输出的信号也同步输入矢量运算器11和反正切矢量运算器12中进行运算，矢量运算器11运算后得到的幅值从幅值输出端13输出，反正切矢量运算器12运算后得到的相位从相位输出端14输出。

然后将两信号的相位相减得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差。最后通过距离差就可以获得双曲线，通过两个双曲线的的交点可以确定出二维空间内的声源的位置，通过三个双曲面的交点可以唯一的确定出三维空间中声源的位置。再由于双曲线面是非线性方程，因而求解双曲面的交点属于非线性优化问题。这样应用在对应的声源定位系统中，即使声源在不断的移动，也可以很好实现实时跟踪。

本发明的工作过程和原理如下： 通过分布在三维空间中的麦克风阵列采集声波信号，并测量声波到达各个麦克风的相位差，同时计算出时间差，再根据该到达时间差计算出到达距离差，最后根据双曲线的定义可以建立以这任意两个麦克风为焦点的双曲线数学模型，再求解这些双曲线的交点，所得到的交点位置就是声源的位置。同时采用双相锁相放大器的原理，可以实现在十分吵杂环境中提取有用信号的幅值和相位信息，免去了单相位锁相放大器需要繁琐的相位调整过程，通过SINPSD模块6和COSPSD模块7分别检测出在极坐标上的X成分和Y成分的幅值，X分量和Y分量的方和根为信号幅值，X分量比上Y分量求反正切即可得到信号相位信息。

本发明主要包含两个重要的部分，一部分根据双向相位检测技术得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，另一部分通过时间差求得距离差，再由距离差得到双曲线，然后旋转得到双曲面，求交点确定声源的位置。

     例如：两个同频率的信号A=sin（ωt+α）和B = sin（ωt+β），选定A为参考信号，B为测量信号，将两个信号相乘得到：

上式表明，如果信号A和B的频率和相位都相同的，则直流值变为最大；如果相位差为90度，则直流值变为0。也就是说，如果用频率相同的参考信号B乘以信号A，用低通滤波器（LPF）检出直流并调整相位，那么得到与输入信号幅值成比例的直流电压，而与信号A频率不同的成分，即噪声频率成分则都变成交流被LPF滤去。应用这个原理的检波器叫做锁相放大器。在锁相放大器中如果将带测量信号与被测信号的相位差调整为90度，乘法器的直流输出为0，那么，在相位有微小变化时乘法器的直流输出就会变动。所以，锁相放大器中的乘法器叫做相敏检测器（Phase Sensitive Detector，PSD），即图中的SINPSD模块6和COSPSD模块7。为了检测出噪声中的微弱信号，要求PSD必须有非常宽的动态范围。利用锁相放大器产品能够以0.1%的分辨率从比信号大1000倍的噪声中检测出信号。这就意味着需要有120dB的动态范围。然而，一般的模拟乘法器由于输出直流飘逸，无法实现这样宽的动态范围。

在PSD中，是通过转换信号进行乘法运算的，是A为参考信号与B为测量信号进行乘法运算，所以也叫做同步检波。基于转换的乘法运算对于直流漂移非常有效，但是转换也会将信号高次频率成分与方波进行乘法运算。方波含有奇次高次谐波，如果信号中含有奇次高次谐波，那么，检测出的基波的振幅就会产生误差。因此实际的PSD中，在PSD的前面设计有对信号频率调谐的带通滤波器BPF，及图1中的带通滤波器5，除去奇次高次谐波之后再进行乘法运算。这时带通滤波器5必须对信号频率调谐，于是电路结构变得复杂了，但是为了能够实现锁相放大器宽动态范围这个重要的要求，所以采用这种方式。带通滤波器5要求对信号成分的3次谐波衰减到误差范围以为就行了，所以对Q值要求并不高。

在确定了声音到达各个麦克风的时间差后，将时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差。以麦克风阵列中的两个麦克风的位置作为双曲线的两个焦点，通过两个距离差就可以求得双曲线，以同样的方法建立另一个双曲线，两个双曲线的交点就是声源的位置。尽管模型是在2D平面得到的，但它可以直接扩展到3D空间去。这时，双曲线相应地变为双曲面，那么通过3个双曲面的交点可以确定出唯一的声源的位置。

在基本锁相放大器中，通过调整参考信号的相位，使输出直流最大的方式来测量信号，由于测量信号为未知信号，这样就要求参考信号的相位连续可调，这种相位调整其实是一件十分麻烦和繁琐的工作。为了不调整相位，这里采用双相位锁相放大器。原理是：设计两个PSD，分别以相位差90°的信号进行乘法运算，就会分别在极坐标上的X成分和Y成分进行矢量运算，采用这样的结构，不进行相位调整就可以求得输入信号的振幅以及参考信号的相位差，大大提高了可操作性。另外，即使在信号振幅和相位随时间有变化的同时，坐标有变动，也不需要调整相位，所以可以对变化的情况进行连续观测。这样应用在对应的声源定位系统中，即使声源在不断的移动，也可以很好实现实时跟踪。

平面内的声源定位的定位方法具体实施方式1：参见图5，第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风这三个麦克风在同一平面上，按照图中所示建立坐标系XY，其中第二麦克风所在的位置为坐标原点，第二麦克风到第一麦克风和第三麦克风的距离都为c。其中是麦克风阵列中的第一麦克风相对于第二麦克风的到达时间差。其测量和计算原理包含两部：第一步，用图1所示的双相锁相放大器原理算出第二麦克风和第一麦克风的相位，两个信号相位相减得到相位差；第二步，由于是窄带声源定位，且声音信号频率f为已知，可以根据式1算出：

                           式1

声音在空气中的传播速度已知，前面已经求出了到达时间差，得到声音的距离差，参见以下式2所示，其中v为声音在空气中传播速度。

                            式2

以第一麦克风和第二麦克风的位置作为双曲线的焦点，根据双曲线的定义：平面上两个定点的距离之差的绝对值为定值的点的轨迹，由于已经确定了作为建立双曲线常量的距离差，则可以列出双曲线方程，参见式3，并能够确定对应的双曲线a的轨迹。以同样的方法测量并计算出第三麦克风相对于第一麦克风的到达时间差，并计算出距离差。再以第三麦克风和第一麦克风所在的位置作为双曲线的焦点，以同样的方法根据双曲线的定义可以列出另一个双曲线方程，参见式4，并能够确定对应的双曲线b的轨迹。联立式3和式4解方程组：

                         式3

                       式4

可求得到两个解或者四个解，有几个解即有几个交点。但实际定位系统中声源在麦克风阵列所在的范围之外，所以可以去掉两个距离原点较近的交点，剩下两个交点中的一个是声源的位置。

再根据测量的第四麦克风和第二麦克风的相位以确定声源实际位置，若>0，则声源在图5中所示的交点1处；若<0，则声源在图5中所示的交点2处。此时定位完成。

平面内的声源定位的定位方法具体实施方式2：参见图6，按照图中所示建立坐标系XY，四个麦克风的坐标分别是：(c,0)、(-c,0)、(0,c)、(0,-c)，根据双曲线的定义可以确定以为焦点的双曲线1和以为焦点的双曲线2交点处，第二麦克风、第一麦克风之间的时间差为，并求得距离差为，四麦克风、第三麦克风之间的时间差为，并求得距离差为2。显然声源的位置既在双曲线1上又在双曲线2上，即在双曲线1和双曲线2的交点处。根据已知条件可以列出双曲线方程。

                      式5

                      式6

式5为双曲线1的方程，式6为双曲线2的方程，联立式5和式6，可求得到四个解，即有四个交点，分别为S1、S2、S3、S4，显然声源位置为四个交点中的一个。

排除无关交点的方法如下：由于和具有正负性，定义：当声源先到达第一麦克风处后到达第二麦克风时，为正，反之为负；当声源先到达第三麦克风处后到达第四麦克风处时，为正，反之为负。

若>0且>0，则声源在S1处；

若<0且>0，则声源在S2处；

若<0且<0，则声源在S3处；

若>0且<0，则声源在S4处，这样就确定了声源的唯一位置。

三维立体空间中确定声源位置的方法如下：在前面二维平面定位系统的基础上，再在垂直方向上Z轴加上第五麦克风和第六麦克风，或者直接以以第一麦克风和第二麦克风的中点为坐标原点，第一麦克风和第二麦克风所在的直线为X轴，以第三麦克风和第四麦克风所在的直线为Y轴，以第五麦克风和第六麦克风所在的直线为Z轴。于是第五麦克风和第六麦克风的坐标分别为（0,0,c）、（0,0,-c），相应的第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风和第四麦克风的坐标分别变成：(c,0,0)、(-c,0,0)、(0,c,0)和(0,-c,0)，参见图7。

在XOZ平面上，可以确定一条以第五麦克风和第六麦克风为焦点，测量点分别到第五麦克风、第六麦克风之间的时间差为，并求得距离差为，以为距离差，根据双曲线的定义可以列出该双曲线c的方程：

                       式7

以同样的方法测量并计算出测量点分别到第二麦克风、第一麦克风之间的时间差为，并求得距离差为；测量并计算出测量点分别到第四麦克风、第三麦克风之间的时间差为，并求得距离差为2。将式7构成的双曲线绕X轴旋转360度，将将式3构成的双曲线绕Y轴旋转360度，将式5构成的双曲线绕Z轴旋转360度，得到对应的三条旋转双页双曲面，联立三个方程得到方程组：

                    式8

解式8构成的方程组，可以得到8个解，设其对应坐标点分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，且分别位于第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、第五象限、第六象限、第七象限、第八象限。由于同样具有正负性，定义：当声源先到达处后到达时，为正，反之为负。根据以下条件判断声源具体位置。

若>0且>0且>0，则声源在S1处；

若<0且>0且>0，则声源在S2处；

若<0且<0且>0，则声源在S3处；

若>0且<0且>0，则声源在S4处；

若>0且>0且<0，则声源在S5处；

若<0且>0且<0，则声源在S6处；

若<0且<0且<0，则声源在S7处；

若>0且<0且<0，则声源在S8处。 

Claims (5)

1.一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，包括以下步骤：

a、麦克风阵列采集到的信号分别通过信号输入端（1）进入前置放大器（3）中对信号进行放大，随后通过带通滤波器（5）滤波后再将信号分别送入到SINPSD模块（6）和COSPSD模块（7）中进行运算；

b、将外界产生同频率的参考信号通过参考信号输入端（2）输入到整形电路（4）中，整形后形成同频率的方波，随后方波进入到90°移相电路模块（8）中经处理后输出两个相差90°相位的方波信号，方波信号分别送入到SINPSD模块（6）和COSPSD模块（7）中，SINPSD模块（6）和COSPSD模块（7）分别具有两个信号输入端，一个信号输出端，输出信号是两个输入信号的时域相乘；

c、SINPSD模块（6）中的信号送入第二低通滤波器（10）中进行处理，COSPSD模块（7）中的信号送入第一低通滤波器（9）中进行处理；

d、第一低通滤波器（9）输出的信号同时输入矢量运算器（11）和反正切矢量运算器（12）中进行运算，第二低通滤波器（10）输出的信号也同步输入矢量运算器（11）和反正切矢量运算器（12）中进行运算；

e、矢量运算器（11）运算后得到的幅值从幅值输出端（13）输出，反正切矢量运算器（12）运算后得到的相位从相位输出端（14）输出，然后将两信号的相位相减得到信号的到达相位差，根据相位差算出到达时间差，时间差乘以声音在空气中的速度就可以得到距离差；

f、然后以麦克风阵列中第一麦克风和第二麦克风的位置作为双曲线a的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线b的轨迹，随后以麦克风阵列中第二麦克风和第三麦克风的位置作为双曲线c1的焦点，以同样的方法建立双曲线方程并确定对应的双曲线b1的轨迹，同时还在不同的平面上以第五麦克风和第六麦克风的位置作为双曲线c2的焦点，通过距离差根据双曲线的定义建立双曲线方程，并确定对应的双曲线c2的轨迹；

g、再将双曲线a、双曲线b以及双曲线c1分别以各自两个焦点的连线为转轴，旋转360度后得到双曲面，并联立方程组求交点，该联立的双曲面方程组为：                         

   ，其中第二麦克风、第一麦克风之间的距离差为，第四麦克风、第三麦克风之间的距离差为2，第五麦克风、第六麦克风之间的距离差为；

h、最后根据麦克风阵列中两个麦克风之间的相位差或声音到达各麦克风的先后顺序排除不符合要求的交点，最终得到唯一的交点，该交点就是声源的实际位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于：所述e步骤中相位差以及距离差的计算方法如下：相位差为，时间差为，声音信号频率为f，声音在空气中传播速度为v，距离差为，则：；。

3.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于：所述矢量运算器（11）为能进行平方后求和并进行开方运算的矢量运算器。

4.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于：所述信号输入端（1）和参考信号输入端（2）输入的两路信号频率相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的强干扰下声源定位方法，其特征在于：所述信号输入端（1）输入的音频频谱范围为20Hz到20KHz。