CN104407328A - 基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法及系统 - Google Patents

基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法及系统:将待测封闭空间划分为若干个网格,将每个网格的中心S1,S2,…Sn作为采样位置,测量得到两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应,并测量得到n对空间脉冲响应;将傅里叶变换后的信号(H1aH1b),(H2aH2b),…,(HnaHnb)作为模板库;测量未知声源得到时域上的一对信号(fa fb),将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb,将分别与

Description

基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,该方法可应用于任意类型封闭空间,特别是环境复杂、混响程度较高的封闭空间的声源定位。
背景技术
封闭空间内的声源定位是声学研究中一项重要内容,在人们生活中的很多方面都有较广的应用,例如飞机舱室的噪声源定位问题,会议室的智能话筒传音控制系统,以及地下车库的车位识别系统等。这类空间的主要特点是环境复杂且混响程度较高,某些小尺度的空间还有严重的声波干涉、衍射效应,对声源定位技术的精度、稳定性要求较高。
现有的声源定位技术主要分为4类。第一类是基于最大输出功率的可控波束形成技术,它将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波束,通过搜索声源的可能位置来引导该波束,修改权值使得传声器阵列的输出信号功率量最大。在传统的简单波束形成器中,仅值取决于各阵元上信号的相位延迟,同时相位延迟和声达时间延迟有关,因此叫做延时求和波束形成器。后来出现的波束形成系统中,在进行时间校正的同时,还对信号进行了滤波,根据不同的滤波器形成了不同的算法;第二类是高分辨率谱估计技术,这类的声源定位技术基于高分辨率的谱估计算法,通过获取了传声器阵列的信号来计算空间谱的相关矩阵获得声源位置。第三类是基于声达时间差的定位技术,这类声源定位方法一般是先进行声达时间差估计,并从中获取传声器阵列中阵元间的声延迟;再利用获取的声达时间差,结合已知的传声器阵列的空间位置进一步定出声源的方向。第四类是基于时间反转原理的单传声器声源定位技术,这种方法预先在需定位的封闭空间内划分区域网格并进行脉冲响应的采样,然后在实际测试过程中对未知声源进行了脉冲响应的测量,最后通过比对测量信息与采样信息来确定声源的位置。
从算法和实际应用来看,现有的声源定位技术还存在着一些缺陷。首先,对于基于最大输出功率的可控波形成技术来说,要获得较高的定位精度,需要大规模的传声器阵列,这在经济上会造成很大的负担;另外,这种技术由于算法的限制,只能对远场的声源进行定位,在小尺度的封闭空间中,其定位精度将会大大下降。其次,对于基于高分辨率谱估计技术的声源定位方法,要求空间中的声源或噪声必须平稳时不变的,但这对于语音信号来说,这种实际的声学环境很难实现;同时,基于高分辨率的谱估计声源定位还有很多的假设条件,这对一个实时实现的系统来说也不可能;而且在计算中,这种谱估计方法的运算量很大,还很容易导致定位不准确,因而在现代的声源定位系统中很少采用。第三,对于基于声达时间差的定位技术,声源定位实际上只是定位出了声源的方向,具体的距离则无法给出,另外,这种方法受环境混响影响很大,当混响程度较高时,精度很低。第四,基于时间反转的单传声器声源定位技术在实际定位过程中,需要获得声源到接收位置的脉冲响应,这就要求声源具有特殊形式的信号形式,这在实际中难以实现,限制了其应用。
发明内容
针对上述现有声源定位方法成本较高,且在封闭空间等非平稳噪声及复杂声环境下很难精确定位的现状,本发明的一个目的在于,提供一种基于空间脉冲响应匹配的双传声器封闭空间声源定位方法。
为了实现上述任务,本发明采用如下技术方案予以解决:
一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,包括采样阶段和检测阶段两部分:
采样阶段:对预设采样位置的空间脉冲响应采样,包括步骤1~步骤3;
步骤1:在待测封闭空间内部的任意位置布置两个传声器Ra,Rb
步骤2:将待测封闭空间划分为若干个网格,将每个网格的中心S1,S2,…Sn作为采样位置,n为待测封闭空间划分得到的网格个数;
步骤3:在第一个采样位置Sn布置一个球形的无指向声源,然后测量得到两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应,并测量得到每个采样位置分别到两个传声器Ra,Rb的一对空间脉冲响应(h1a h1b),(h2a h2b),…,(hna hnb),共得到n对空间脉冲响应;分别对得到的每一对空间脉冲响应进行傅里叶变换,将变换后的信号(H1a H1b),(H2a H2b),…,(Hna Hnb)作为模板库存储,采样阶段完成;
检测阶段:对待测封闭空间内的未知声源进行检测定位,包括步骤4~步骤6;
步骤4:利用两个传声器Ra,Rb对待测封闭空间内的未知声源进行测量,得到时域上的一对信号(fa fb),将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb;所述信号(fa fb)是声源信号与通道脉冲响应的卷积,即
f a = f s * h a f b = f s * h b - - - ( 1 )
式中,fa fb为测量得到的时域上的一对信号,fs为声源信号,ha hb分别为待测封闭空间内的未知声源分别到两个传声器的空间脉冲响应;
步骤5:假设Fa Fb为fa fb的傅里叶变换,Fs为fs的傅里叶变换,Ha Hb为ha hb的傅里叶变换,则有
F a = F s · H a F b = F s · H b ⇒ F a F b = H a H b - - - ( 2 ) ;
步骤6:将分别与进行相关相关系数的计算;
式中,corrcoef表示皮尔逊相关系数运算,Xi Yi表示一个数据序列的每一个值,表示数据序列的平均值;
步骤7:找出得到的相关系数最大的一组数据ci,认为声源位于该组数据ci所对应的采样位置Si,完成对未知声源的定位。
进一步的,所述步骤1中两个所述传声器之间的距离应不小于0.5m。
进一步的,所述步骤2中,所述网格采用长方形或正方形;相邻网格的中心距离不小于40cm。
进一步的,所述步骤3中,两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应采用DIRAC测量系统得到。
进一步的,所述步骤6中,相关系数的计算如下式:
corrcoef ( X , Y ) = Σ i = 1 n ( X i - X ‾ ) ( Y i - Y ‾ ) Σ i = 1 n ( X i - X ‾ ) 2 Σ i = 1 n ( Y i - Y ‾ ) 2 c 1 = corrcoef ( F a F b , H 1 a H 1 b ) c 2 = corrcoef ( F a F b , H 2 a H 2 b ) . . . c n = corrcoef ( F a F b , H na H nb ) - - - ( 3 )
式中,corrcoef表示皮尔逊相关系数运算,Xi Yi表示一个数据序列的每一个值,表示数据序列的平均值。
本发明的另一个目的在于,提供一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位系统,包括采样模块和检测模块:
采样模块:用于实现对预设采样位置的空间脉冲响应采样,包括模块1~模块2;
模块1:用于将待测封闭空间划分为若干个网格,将每个网格的中心S1,S2,…Sn作为采样位置,n为待测封闭空间划分得到的网格个数;
模块2:用于测量在待测封闭空间内部的任意位置的布置两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应,并测量得到每个采样位置分别到两个传声器Ra,Rb的一对空间脉冲响应(h1a h1b),(h2a h2b),…,(hna hnb),共得到n对空间脉冲响应;分别对得到的每一对空间脉冲响应进行傅里叶变换,将变换后的信号(H1a H1b),(H2a H2b),…,(Hna Hnb)作为模板库存储;
检测模块:用于对待测封闭空间内的未知声源进行检测定位,包括模块3~模块5;
步骤3:用于利用两个传声器Ra,Rb对待测封闭空间内的未知声源进行测量,得到时域上的一对信号(fa fb),将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb;所述信号(fa fb)是声源信号与通道脉冲响应的卷积,即
f a = f s * h a f b = f s * h b - - - ( 1 )
式中,fa fb为测量得到的时域上的一对信号,fs为声源信号,ha hb分别为待测封闭空间内的未知声源分别到两个传声器的空间脉冲响应;
模块4:用于实现以下功能:假设Fa Fb为fa fb的傅里叶变换,Fs为fs的傅里叶变换,Ha Hb为ha hb的傅里叶变换,计算得到
F a = F s · H a F b = F s · H b ⇒ F a F b = H a H b - - - ( 2 ) ;
模块5:用于实现以下功能:将分别与进行相关系数的计算;
模块6:用于找出得到的相关系数最大的一组数据ci,认为声源位于该组数据ci所对应的采样位置Si,完成对未知声源的定位。
进一步的,所述模块2中两个所述传声器之间的距离应不小于0.5m。
进一步的,所述模块1中,所述网格采用长方形或正方形;相邻网格的中心距离不小于40cm。
进一步的,所述模块2中,两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应采用DIRAC测量系统得到。
进一步的,所述模块5中,相关系数的计算如下:
corrcoef ( X , Y ) = Σ i = 1 n ( X i - X ‾ ) ( Y i - Y ‾ ) Σ i = 1 n ( X i - X ‾ ) 2 Σ i = 1 n ( Y i - Y ‾ ) 2 c 1 = corrcoef ( F a F b , H 1 a H 1 b ) c 2 = corrcoef ( F a F b , H 2 a H 2 b ) . . . c n = corrcoef ( F a F b , H na H nb ) - - - ( 3 )
式中,corrcoef表示皮尔逊相关系数运算,Xi Yi表示一个数据序列的每一个值,表示数据序列的平均值。
与现有技术相比较,本发明的有益效果如下:
本发明将空间脉冲响应匹配概念引入定位算法中,有效地避免了传统定位方法中存在的一系列问题,具体为:
(1)本发明方法简便,适合于各类人群使用,且由于仅需两个传声器即可完成精度较高的定位,与传统方法相比经济成本大大降低。
(2)本方法采用空间脉冲响应匹配的定位方式,空间混响程度越高,空间脉冲响应的差异性越大,因此与传统方法相比特别适用于混响程度较高,环境复杂的封闭空间环境。通过与测量实验对比,验证了本发明具有较高的精度,因而在封闭空间声源定位中具有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明的方法测试封闭空间及采样位置,传声器位置示意图;
图2是封闭空间脉冲响应测量示意图;
图3是声源定位测试示意图;
图4是本发明方法的流程图。
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
本发明的方法以封闭空间内表示声音传播通道信息的空间脉冲响应为指标,结合室内声学测量、信号匹配原理,首先固定两传声器位置,对封闭空间内的若干采样位置进行空间脉冲响应测量作为样本信息;然后利用上述位置的两传声器测量获得实际声源的信号作为检测信息;最后对检测信息以及样本信息进行匹配,从而获得实际声源的位置。
遵循本发明的技术方案,本实施例给出一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,包括采样阶段和检测阶段两部分:
采样阶段:对预设采样位置的空间脉冲响应采样,具体步骤如下:
步骤1:在待测封闭空间内部的任意位置布置两个传声器Ra,Rb;当传声器距离过近时,会导致声源到传声器的脉冲响应差异性不高,因此该两传声器之间的距离应不小于0.5m;
可选的,传声器可以采用麦克风或者实验室标准传声器。
步骤2:将待测封闭空间划分为若干个网格,将每个网格的中心S1,S2,…Sn作为采样位置,n为待测封闭空间划分得到的网格个数。
可选的,网格采用长方形或正方形或其它形状,优选正方形,可使测量更精确;由于定位分辨距离受脉冲响应的特征影响,因此,根据实际测试发现,相邻网格的中心距离不小于40cm。
步骤3:在第一个采样位置Sn布置一个球形的无指向声源,然后利用DIRAC测量系统得到两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应,并测量得到每个采样位置分别到两个传声器Ra,Rb的一对空间脉冲响应(h1a h1b),(h2a h2b),…,(hna hnb),共得到n对空间脉冲响应;分别对得到的每一对空间脉冲响应进行傅里叶变换,将变换后的信号(H1a H1b),(H2a H2b),…,(HnaHnb)作为模板库存储,采样阶段完成。
检测阶段:对待测封闭空间内的未知声源进行检测定位,具体步骤如下:
步骤4:利用两个传声器Ra,Rb对待测封闭空间内的未知声源进行测量,得到时域上的一对信号(fa fb),将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb;由信号理论可知,该信号(fa fb)实际上是声源信号与通道脉冲响应的卷积,即
f a = f s * h a f b = f s * h b - - - ( 1 )
式中,fa fb为测量得到的时域上的一对信号,fs为声源信号,ha hb分别为待测封闭空间内的未知声源分别到两个传声器的空间脉冲响应;
步骤5:假设Fa Fb为fa fb的傅里叶变换,Fs为fs的傅里叶变换,Ha Hb为ha hb的傅里叶变换,由于在实际应用中,声源信号fs未知,在频域对式(1)进行除法运算消去fs影响,即
F a = F s · H a F b = F s · H b ⇒ F a F b = H a H b - - - ( 2 ) ;
从式(2)看出,通过该处理方式,消去了声源信号fs的影响,利用两个传声器所测得的信号的傅里叶变换,即可与模板库中的脉冲响应进行匹配比对。
步骤6:将分别与模板库中的进行如下式的相关性分析,求得所有的相关系数:
corrcoef ( X , Y ) = Σ i = 1 n ( X i - X ‾ ) ( Y i - Y ‾ ) Σ i = 1 n ( X i - X ‾ ) 2 Σ i = 1 n ( Y i - Y ‾ ) 2 c 1 = corrcoef ( F a F b , H 1 a H 1 b ) c 2 = corrcoef ( F a F b , H 2 a H 2 b ) . . . c n = corrcoef ( F a F b , H na H nb ) - - - ( 3 )
式中,corrcoef表示皮尔逊相关系数运算,Xi Yi表示一个数据序列的每一个值,XY表示数据序列的平均值,该运算可在MATLAB软件中直接使用corrcoef命令完成;
步骤7:找出得到的相关系数最大的一组数据ci,认为声源位于该组数据ci所对应的采样位置Si,完成对未知声源的定位。
为了更清楚地解释本发明的技术方案怎样具体实施,并对该技术方案的有效性进行验证,发明人给出了以下实施例,需要说明的是,该实施例仅仅是为了解释说明本发明的技术方案,本发明所涵盖的范围不限于此。
本实施例中,实际待测封闭空间为一矩形封闭空间,如图1所示,其长宽高分别为8.3m,5.5m,3.8m。
步骤1:在待测封闭空间中布置两传声器,按图1中所示的坐标系,两传声器的坐标分别为Ra(4.2,4,1.2),Rb(5.3,2.8,1.2)。
步骤2:以待测封闭空间地面为基准,将每个边界均匀划分为3段,从而均匀划分了9个网格,空间脉冲响应采样位置即设在每个网格的中心,如图1所示。
步骤3:在第一个采样位置1处布置球形声源,按图2所示连接各测量设备。测量空间脉冲响应采用DIRAC软件,在球形声源发出e扫频信号的同时,利用两个传声器接收信号,即可得到第一个采样位置1到两个传声器的空间脉冲响应h1a及h1b。重复上述过程,得到所有采样位置到两个传声器的空间脉冲响应(h1a h1b),(h2a h2b),…,(hna hnb)。将所有脉冲响应进行傅里叶变换得到变换信号(H1a H1b),(H2a H2b),…,(H9a H9b),并将该变换信号储存作为模板库,采样阶段完成。
步骤4:在采样位置1处任意产生一段声音作为测试声源,此声源高度与采样阶段的球形声源高度相同。利用步骤1中布置的两传声器接收此测试声源信号得到fa fb,此时需要的设备包括计算机、信号放大器、传声器,如图3所示。将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb
步骤5:将分别与进行相关性分析,求得相关系数c1,c2,…,c9
步骤7,根据比较得到c1的值最大。因此可判定声源位于第一个采样位置1处。
在本实施例中,对9个采样位置分别利用不同的声音作为测试声源进行了测试,测试中的声源定位准确率均在90%以上,证明了本发明的有效性。

Claims (10)

1.一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,其特征在于,包括采样阶段和检测阶段两部分: 
采样阶段:对预设采样位置的空间脉冲响应采样,包括步骤1~步骤3; 
步骤1:在待测封闭空间内部的任意位置布置两个传声器Ra,Rb; 
步骤2:将待测封闭空间划分为若干个网格,将每个网格的中心S1,S2,…Sn作为采样位置,n为待测封闭空间划分得到的网格个数; 
步骤3:在第一个采样位置Sn布置一个球形的无指向声源,然后测量得到两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应,并测量得到每个采样位置分别到两个传声器Ra,Rb的一对空间脉冲响应(h1a h1b),(h2a h2b),…,(hna hnb),共得到n对空间脉冲响应;分别对得到的每一对空间脉冲响应进行傅里叶变换,将变换后的信号(H1aH1b),(H2aH2b),…,(HnaHnb)作为模板库存储,采样阶段完成; 
检测阶段:对待测封闭空间内的未知声源进行检测定位,包括步骤4~步骤6; 
步骤4:利用两个传声器Ra,Rb对待测封闭空间内的未知声源进行测量,得到时域上的一对信号(fa fb),将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb;所述信号(fa fb)是声源信号与通道脉冲响应的卷积,即 
式中,fa fb为测量得到的时域上的一对信号,fs为声源信号,ha hb分别为待测封闭空间内的未知声源分别到两个传声器的空间脉冲响应; 
步骤5:假设Fa Fb为fa fb的傅里叶变换,Fs为fs的傅里叶变换,Ha Hb为ha hb的傅里叶变换,则有 
步骤6:将分别与进行相关系数的计算; 
步骤7:找出得到的相关系数最大的一组数据ci,认为声源位于该组数据ci所对应的采样位置Si,完成对未知声源的定位。 
2.如权利要求1所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,其特征在于,所述步骤1中两个所述传声器之间的距离应不小于0.5m。 
3.如权利要求1所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,其特征在于,所述步骤2中,所述网格采用长方形或正方形;相邻网格的中心距离不小于40cm。 
4.如权利要求1所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,其特征在于,所述步骤3中,两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应采用DIRAC测量系统得到。 
5.如权利要求1所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位方法,其特征在于,所述步骤6中,相关系数的计算如下式: 
式中,corrcoef表示皮尔逊相关系数运算,Xi Yi表示一个数据序列的每一个值,表示数据序列的平均值。 
6.一种基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位系统,其特征在于,包括采样模块和检测模块: 
采样模块:用于实现对预设采样位置的空间脉冲响应采样,包括模块1~模块2; 
模块1:用于将待测封闭空间划分为若干个网格,将每个网格的中心S1,S2,…Sn作 为采样位置,n为待测封闭空间划分得到的网格个数; 
模块2:用于测量在待测封闭空间内部的任意位置的布置两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应,并测量得到每个采样位置分别到两个传声器Ra,Rb的一对空间脉冲响应(h1a h1b),(h2a h2b),…,(hna hnb),共得到n对空间脉冲响应;分别对得到的每一对空间脉冲响应进行傅里叶变换,将变换后的信号(H1aH1b),(H2aH2b),…,(HnaHnb)作为模板库存储; 
检测模块:用于对待测封闭空间内的未知声源进行检测定位,包括模块3~模块5; 
步骤3:用于利用两个传声器Ra,Rb对待测封闭空间内的未知声源进行测量,得到时域上的一对信号(fa fb),将fa fb进行傅里叶变换得到Fa Fb;所述信号(fa fb)是声源信号与通道脉冲响应的卷积,即 
式中,fa fb为测量得到的时域上的一对信号,fs为声源信号,ha hb分别为待测封闭空间内的未知声源分别到两个传声器的空间脉冲响应; 
模块4:用于实现以下功能:假设Fa Fb为fa fb的傅里叶变换,Fs为fs的傅里叶变换,Ha Hb为ha hb的傅里叶变换,计算得到 
模块5:用于实现以下功能:将分别与进行相关系数计算; 
模块6:用于找出得到的相关系数最大的一组数据ci,认为声源位于该组数据ci所对应的采样位置Si,完成对未知声源的定位。 
7.如权利要求5所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位系统,其特征在于,所述模块2中两个所述传声器之间的距离应不小于0.5m。 
8.如权利要求5所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位系统,其特征 在于,所述模块1中,所述网格采用长方形或正方形;相邻网格的中心距离不小于40cm。 
9.如权利要求5所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位系统,其特征在于,所述模块2中,两个传声器Ra,Rb位置处的脉冲响应采用DIRAC测量系统得到。 
10.如权利要求5所述的基于空间脉冲响应匹配的封闭空间声源定位系统,其特征在于,所述模块5中,相关系数的计算如下: 
式中,corrcoef表示皮尔逊相关系数运算,Xi Yi表示一个数据序列的每一个值,表示数据序列的平均值。 
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