CN104360315A - 基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法及装置，其方法包括如下步骤：组建麦克风阵列；采集麦克风的数据信号；计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差；根据所述时间差定位声源的位置；本发明采用麦克风阵列实现了声源三维空间定位，提高了声源定位的精度，有效的抑制了不感兴趣的声音如噪声的干扰，计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差，减少了算法复杂度，提高了拾音系统的实时性。

Description

基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法及装置

技术领域

本发明涉及定位方法，特别是一种基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法及装置。 

背景技术

在基于麦克风的拾音系统中，声源定位技术能够确定感兴趣的声音，使拾音系统能够对其接收的信号进行声音去噪、声源跟踪、语音提取和分离等处理。准确的声源定位能够有效提高嘈杂背景下的语音通信质量。 

传统的拾音工具一般为单个孤立的麦克风。单个麦克风会将其拾音范围内的任何声音包括噪声等全部接收，即单个麦克风接收的信号是由环境噪声、多个声源发出的声音组成的混合信号。 

单个麦克风不能够自适应的对准并跟踪感兴趣的说话人，主要采用在频谱域进行功率谱抵消(spectral subtraction)和滤波等技术来抑制噪声。然而，麦克风接收的语音信号和噪声信号通常在时间上和频谱上是相互重叠的，因此，要从单个麦克风接收的混合信号中分离出不同的声音，并有效抑制不感兴趣的声音如噪声等是相当困难。 

而本系统所采用的是麦克风阵列，它是指若干个麦克风组成的、按照一定的空间几何结构排列而成的的阵列。基于麦克风阵列的声源定位是应用多个麦克风阵列拾取声音信号，对多个麦克风进行空间建模，然后再通过相关的处理方法、手段对所得到的声音信号进行分析和计算，即可在空间域中定出一个或是多个声源的平面或空间坐标，即得到声源的位置，继而进行跟踪、定位等。 

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法及装置，有效的抑制了不感兴趣的声音如噪声的干扰。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，包括如下步骤： 

组建麦克风阵列； 

采集麦克风的数据信号； 

计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差； 

根据所述时间差定位声源的位置。 

进一步，所述组件麦克风阵列包括：选择用四个球面麦克风构成正四面体且将麦克风设置于正四面体的四个顶点，该正四面体的几何中心为三维坐标系的原点且其中一个麦克风位于Z轴的正半轴。 

进一步，所述采集麦克风的数据信号包括：麦克风传感器采集麦克风的数据信号并发送给四路同步电压采集模块。 

进一步，麦克风传感器采集麦克风的数据信号以模拟电压信号形式输入四路同步电压采集模块，该四路同步电压采集模块采用连续采样模式工作。 

进一步，所述计算声源的声音到达不同位置的麦克风的时间差包括：分别求得两两电压信号间的互功率谱函数并在频域内进行加权运算，再将频域的函数反变换到时域，得到任意两组信号的互相关函数，该互相关函数的峰值所对应的时间为麦克风的时间差。 

进一步，所述根据所述时间差定位声源的位置包括：利用该时间差求得声音到达四个不同位置麦克风传感器的距离差结合麦克风的空间位置定位声源的位置。 

基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置，包括： 

组建模块，用于组建麦克风阵列； 

采集模块，用于采集麦克风的数据信号； 

时延计算模块，用于计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差； 

定位模块，用于根据所述时间差定位声源的位置。 

进一步，所述组建模块包括四个球面麦克风，且四个球面麦克风构成正四面体且将麦克风设置于正四面体的四个顶点，该正四面体的几何中心为三维坐标系的原点且其中一个麦克风位于Z轴的正半轴。 

进一步，所述采集模块包括麦克风传感器和四路同步电压采集模块，麦克风传感器采集麦克风的数据信号以模拟电压信号形式输入四路同步电压采集模块。 

进一步，所述四路同步电压采集模块是NIUSB-9215A。 

本发明的有益效果是：本发明通过用四个球面麦克风构成正四面体实现了声源三维空间定位，提高了声源定位的精度；通过参考麦克风的位置来确定声源的水平角和俯仰角，减少了模型误差，提高了声源位置估计性能；通过LabVIEW采集麦克风的数据信号，大大提高了系统的安全性和抗干扰性；采用广义互相关函数法计算时延，减少了算法复杂度，提高了拾音系统的实时性。 

附图说明

图1是本发明基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法的流程图； 

图2是本发明第二实施例的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法的流程图； 

图3是广义互相关时延估计流程； 

图4是本发明基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。 

实施例1： 

如图1所示，基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，包括如下步骤： 

步骤S100：组建麦克风阵列； 

步骤S110：采集麦克风的数据信号； 

步骤S120：计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差； 

步骤S130：根据所述时间差定位声源的位置。 

本实施例采用麦克风阵列实现了声源三维空间定位，提高了声源定位的精度，有效的抑制了不感兴趣的声音如噪声的干扰，计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差，减少了算法复杂度，提高了拾音系统的实时性。 

实施例2： 

如图2所示，基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，包括如下步骤： 

步骤S200：选择用四个球面麦克风构成正四面体且将麦克风设置于正四面体的四个顶点，麦克风m₀1、麦克风m₁2、麦克风m₂3和麦克风m₃4是四个球面麦克风在空间模型中的位置，以四个球面麦克风所构成正四面体的外接球圆心为坐标原点0建立空间直角坐标系。m₀在z轴的正半轴，m₁、m₂和m₃均在原点下方，m₁在平面xOy上的投影在x正半轴，m₂和m₃的连线平行于y轴。则四个麦克风在三维空间模型中坐标分别为： $m_2(-\frac{\sqrt{3}}{6}a,\frac{1}{2}a,-\frac{\sqrt{6}}{12}a),m_3(-\frac{\sqrt{3}}{6}a,-\frac{1}{2}a,-\frac{\sqrt{6}}{12}a).$ 假设，s为声源位置，s’为其平面xOy上的投影，则声源的水平角φ为Os’与x正半轴的夹角，俯仰角θ为Os与Os’的夹角，目标声源s到坐标原点0的距离为r。设正四面体棱长为a， d₀、d₁、d₂和d₃分别为声源s到麦克风m₀、m₁、m₂和m₃的声程，用d₁₀、d₂₀、d₃₀分别表示声源s到麦克风与到麦克风m₀的声程差。设声速为c，则有d_i0＝sm_i-sm₀＝c·τ_i0，(i＝1，2，3)。其中，τ_i0表示声源信号到达麦克风m_i和m₀的时间差，即声达时间差。设声源s坐标为(x，y，z)，则可由空间几何关系建立精确的几何定位计算模型，其表达形式为非线性方程组，具体如下： 

$x^2+y^2+{(z-\frac{\sqrt{6}}{4}a)}^2={d_0}^2---\left(2.1\right)$

${(x-\frac{\sqrt{3}}{3}a)}^2+y^2+{(z+\frac{\sqrt{6}}{12}a)}^2={(d_0+d_{10})}^2---\left(2.2\right)$

${(x+\frac{\sqrt{3}}{6}a)}^2+{(y-\frac{1}{2}a)}^2+{(z+\frac{\sqrt{6}}{12}a)}^2={(d_0+d_{20})}^2---\left(2.3\right)$

${(x+\frac{\sqrt{3}}{6}a)}^2+{(y-\frac{1}{2}a)}^2+{(z+\frac{\sqrt{6}}{12}a)}^2={(d_0+d_{30})}^2---(2.4)$

通过对其进行展开及化简，可得： 

$-\frac{2\sqrt{3}}{3}x+\frac{2\sqrt{6}}{3}z={2d}_0{d}_{10}+d_{10}^2---\left(2.5\right)$

$\frac{\sqrt{3}}{3}x-y+\frac{2\sqrt{6}}{3}z={2d}_0{d}_{20}+d_{20}^2---(2.6)$

$\frac{\sqrt{3}}{3}x+y+\frac{2\sqrt{6}}{3}z={2d}_0{d}_{30}+d_{30}^2---(2.7)$

${4x}^2+{4y}^2+{4z}^2+\frac{\sqrt{6}}{6}z+\frac{3}{2}=4{d_0}^2+{2d}_0(d_{10}+d_{20}+d_{30})+d_{10}^2+d_{20}^2+d_{30}^2---\left(2.8\right)$

由式(3.5)、(3.6)和(3.7)，可得： 

$2\sqrt{3}x={2d}_0{d}_{20}+d_{20}^2+{2d}_0{d}_{30}+d_{30}^2-2(2d_0{d}_{10}+d_{10}^2)---\left(2.9\right)$

$2y={2d}_0{d}_{30}+d_{30}^2-({2d}_0{d}_{20}+d_{20}^2)---\left(2.10\right)$

$2\sqrt{6}z={2d}_0{d}_{10}+d_{10}^2+{2d}_0{d}_{20}+d_{20}^2+{2d}_0{d}_{30}+d_{30}^2---\left(2.11\right)$

由空间几何关系，将式(2.9)～(2.11)代入可得： 

在传统应用中，其声源信号往往处于远场，且不计阵列位置移动的问题，因此可认为2d_o远远大于d_1０、d_2０和d_3０。则约简式(2.12)和(2.13)可以得到基于远场假设的几何定向计算约简模型： 

$\mathrm{\θ}\≈\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\frac{d_{10}+d_{20}+d_{30}}{\sqrt{{(d_{20}+d_{30}-{2d}_{10})}^2+3{(d_{30}-d_{20})}^2}}\right)---\left(2.15\right)$

又由于d_i0＝sm_i-sm₀＝c·τ_i0，(i＝1，2，3)，式(3.14)和(3.15)则可写为： 

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\left(\sqrt{3}\frac{{\mathrm{\τ}}_{30}-{\mathrm{\τ}}_{20}}{{\mathrm{\τ}}_{20}+{\mathrm{\τ}}_{30}-{2\mathrm{\τ}}_{10}}\right)---\left(2.16\right)$

$\mathrm{\θ}\≈\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\frac{{\mathrm{\τ}}_{10}+{\mathrm{\τ}}_{20}+{\mathrm{\τ}}_{30}}{\sqrt{{({\mathrm{\τ}}_{20}+{\mathrm{\τ}}_{30}-{2\mathrm{\τ}}_{10})}^2+3{({\mathrm{\τ}}_{30}-{\mathrm{\τ}}_{20})}^2}}\right)---\left(2.17\right)$

步骤S210：麦克风传感器采集麦克风的数据信号并发送给四路同步电压采集模块；选中四路USB-9215A的信号ai0～ai3且USB-9215A采样率为100k，的其采样率为100k。又由于四路麦克风传感器(麦克风传感器m₀5，麦克风传感器m₂6，麦克风传感器m₃7，麦克风传感器m₁8)所采集的信号在1v以下，为提高分辨率，将电压范围设为-1v～+1v。而且系统需要在运行时循环采样，故采样模式为连续采样。 

步骤S220：用广义互相关函数法计算声源的声音到达不同位置的麦克风的 时间差，包括分别求得两两电压信号间的互功率谱函数并在频域内进行加权运算，再将频域的函数反变换到时域，得到任意两组信号的互相关函数，该互相关函数的峰值所对应的时间为麦克风的时间差；如图3所示，假设两个麦克风接收的离散事件信号的模型为： 

X₁(n)＝S₁(n-τ₁)+n₁(n)   (2.18) 

X₂(n)＝S₂(n-τ₂)+n₂(n)   (2.19) 

其中，S(n)为目标声源的信号，n₁(n)和n₂(n)是高斯白噪声，而且它们是互不相关的。并且n₁(n)与S(n)以及n₂(n)与S(n)都是互不相关的。τ₁和τ₂是声音信号从声源传播到麦克风传感器m₀7和麦克风传感器m₀8所用的时间。两传感器之间的时延值就是τ₁₂＝τ₁-τ₂。 

则X₁(n)和X₂(n)的相关函数R₁₂(τ)为： 

R₁₂(τ)＝E[X₁(n)X₂(n-τ)]   (2.20) 

将式子(3.18)和(3.19)代人式(3.20)，得： 

R₁₂(τ)＝E[S(n-τ₁)S(n-τ₁-τ)+E(S(n-τ₁)n₂(n-τ))]+ 

E(S(n-τ₂-τ)n₁(n))+E[n₁(n)n₂(n-τ)]   (2.21) 

因为生源信号S(n)和高斯白噪声信号n₂(n)、n₁(n)均没有相关性，所以可以求得： 

R₁₂(τ)＝E[S(n-τ₁)S(n-τ₁-τ)]＝R_s(τ-(τ₁-τ₂))   (2.22) 

由自相关函数的性质可知，τ-(τ₁-τ₂)＝0时，R₁₂(*)可达到其最大值，因此求得R₁₂(τ)最大值对应的时间τ即为为所求时延值τ₁₂。 

步骤S230：利用该时间差求得声音到达四个不同位置麦克风传感器的距离差结合麦克风的水平角和俯仰角定位声源的位置。应用公式节点结合式(2.16)和(2.17)得到水平角和俯仰角的估计值，由于函数arctg只台能得到-90°～+90°范围 内的角度，而实际测量的水平角确是-180°～+180°范围内的角度，可以通过三个时延值大小关系判定水平角的象限，在第二象限时测量值加上180°，在第三象限减去180°，而在第一象限、第四象限时等于测量值。 

本实施例通过用四个球面麦克风构成正四面体实现了声源三维空间定位，提高了声源定位的精度；通过参考麦克风的位置来确定声源的水平角和俯仰角，减少了模型误差，提高了声源位置估计性能；通过LabVIEW采集麦克风的数据信号，大大提高了系统的安全性和抗干扰性；采用广义互相关函数法计算时延，减少了算法复杂度，提高了拾音系统的实时性。 

实施例3： 

如图4示，基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置，包括： 

组建模块，用于组建麦克风阵列；该组建模块包括四个球面麦克风，且四个球面麦克风构成正四面体且将麦克风设置于正四面体的四个顶点，该正四面体的几何中心为三维坐标系的原点且其中一个麦克风位于Z轴的正半轴； 

采集模块，用于采集麦克风的数据信号；该采集模块包括麦克风传感器和四路同步电压采集模块，麦克风传感器采集麦克风的数据信号以模拟电压信号形式输入四路同步电压采集模块；该四路同步电压采集模块是NI USB-9215A； 

时延计算模块9用于计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差； 

定位模块10于根据所述时间差定位声源的位置。 

本实施例的组建模块的麦克风阵列实现了声源三维空间定位，提高了声源定位的精度，有效的抑制了不感兴趣的声音如噪声的干扰；采集模块，借助LabVIEW采集麦克风的数据信号，大大提高了系统的安全性和抗干扰性；时延计算模块9声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差，减少了算法复杂 度，提高了拾音系统的实时性，增加了装置的声源定位精确度。 

为了获得较准确的测量数据，选择空旷、安静且密闭无风的实验室进行声源定位的数据测量，温度为23C°左右。选定一麦克风所在方向为水平角为0°的方向(即ml所在的方位)，并做好标记。 

测试者分别在距离空间模型的圆心1m、2m、3m、4m以及5m的位置处，保持同一水平角(0°)，保持同一俯仰角(大约是0°)，运行VI程序，对水平角和俯仰角进行测量。在测量时，由测试人员拍手产生的瞬时声源，要在同一位置测量5组数据，如表3.1所示： 

表3.1 室内距离变化时的数据 

(2)保证在安静的、密闭的、相对较空旷的实验室环境内进行实验。测试者在距离麦克风构成的空间模型的圆心1m处，在不同的水平角(0°～180°， -180°～0°)，保持同一俯仰角(大约是0°)处，运行VI程序，对队水平角和俯仰角进行测量。在测量时，目标声源是由测试人员拍手产生的瞬时声源，在同一位置测量6组数据，如表3.2所示： 

表3.2 室内水平角变化时的数据 

(3)在本系统中，俯仰角的范围是(-90°～90°)，由于算法等的影响下，实测范围在(-80°～80°)内。因此实验时，为了便于实验，在距离圆心2m处不同俯仰角(-50°、-30°、0°、30°、70°)，同一水平角(在0°位置)处进行测量。在测量时，声源目标是由测试人员拍手产生的瞬时声源，在同一位置测量5组数据，数据如表3.3所示： 

表3.3 室内俯仰角变化时的数据 

分析以上在室内测量所得数据，水平角和俯仰角都存在一定的误差，可能是由于建立的空间模型与实际模型的误差、测量环境的噪声和空气因素的影响及测量方法等因素所影响。但是误差绝大部分均在±5°以内，属于可接受范围。 

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (10)

1.基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

组建麦克风阵列；

采集麦克风的数据信号；

计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差；

根据所述时间差定位声源的位置。

2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，其特征在于，所述组件麦克风阵列包括：选择用四个球面麦克风构成正四面体且将麦克风设置于正四面体的四个顶点，该正四面体的几何中心为三维坐标系的原点且其中一个麦克风位于Z轴的正半轴。

3.根据权利要求1或2所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，其特征在于，所述采集麦克风的数据信号包括：麦克风传感器采集麦克风的数据信号并发送给四路同步电压采集模块。

4.根据权利要求3所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，其特征在于，麦克风传感器采集麦克风的数据信号以模拟电压信号形式输入四路同步电压采集模块，该四路同步电压采集模块采用连续采样模式工作。

5.根据权利要求1或4所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，其特征在于，所述计算声源的声音到达不同位置的麦克风的时间差包括：分别求得两两电压信号间的互功率谱函数并在频域内进行加权运算，再将频域的函数反变换到时域，得到任意两组信号的互相关函数，该互相关函数的峰值所对应的时间为麦克风的时间差。

6.根据权利要求5所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位方法，其特征在于，所述根据所述时间差定位声源的位置包括：利用该时间差求得声音到达四个不同位置麦克风传感器的距离差结合麦克风的空间位置定位声源的位置。

7.基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置，其特征在于，包括：

组建模块，用于组建麦克风阵列；

采集模块，用于采集麦克风的数据信号；

时延计算模块，用于计算声源的声音到达不同位置的麦克风传感器的时间差；

定位模块，用于根据所述时间差定位声源的位置。

8.根据权利要求7所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置，其特征在于，所述组建模块包括四个球面麦克风，且四个球面麦克风构成正四面体且将麦克风设置于正四面体的四个顶点，该正四面体的几何中心为三维坐标系的原点且其中一个麦克风位于Z轴的正半轴。

9.根据权利要求7或8所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置，其特征在于，所述采集模块包括麦克风传感器和四路同步电压采集模块，麦克风传感器采集麦克风的数据信号以模拟电压信号形式输入四路同步电压采集模块。

10.根据权利要求9所述的基于LabVIEW的麦克风阵列声源定位装置，其特征在于，所述四路同步电压采集模块是NIUSB-9215A。