CN105044676B - 一种基于能量的声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声音能量的声源定位方法，该方法的过程为：包设置定位设备，所述定位设备包括多个无线传感器从节点，所述无线传感器从节点上设有声音传感器阵列；记录各个节点的声音到达时间，使用TDOA算法找出声源坐标；记录各个节点声音的能量值，根据声音能量衰减模型、声源坐标、从节点的坐标计算出声音衰减系数；将声音衰减系数带入声音能量衰减模型；每隔一点时间计算各个节点声音能量值，计算出声源坐标。

Description

一种基于能量的声源定位方法

技术领域

本发明属于声源定位技术领域，具体涉及一种基于能量的声源定位方法。

背景技术

声源定位是利用麦克风或者麦克风阵列对声音信号进行测量，通过对信号进行分析，最后得出声源的具体位置。声源定位技术是目标定位技术中一个新的分支，具有广泛的应用前景及科研价值，在近年来受到广泛的关注及研究。针对声源定位的算法研究十分活跃，但是基于声源定位算法的应用实例则非常有限。目前常见的声源定位算法有基于到达时间差(TDOA)、基于最大功率可控波束、基于高分辨率谱估计以及基于声音能量的定位算法。

基于最大功率可控波束和基于高分辨率谱估计的定位方法计算量大，实时性差，在实际应用中不常用。基于到达时间的定位方法虽然计算量小，但是它只能对声音在刚刚到达时进行定位，当一个声音的持续时间较长时，这种方法就不能连续定位，达不到实时性的需求。基于能量的声源定位算法计算量小，实时性好，并且可对较长的移动声源实现连续定位。在现有的基于能量的声源定位方法分别为：Li Dan等的论文《Energy-BasedCollaborative Source Localization Using Acoustic Microsensor Array》提出了基于声音能量的声源定位算法，但这种方法的声音衰减系数是一个固定的值(约为2)，在实际环境中这种声音能量衰减模型会产生很大的误差。刘磊的论文《基于信号能量修正的声源定位算法研究》提出一种基于信号能量修正的噪声鲁棒声源定位算法，首先估计背景噪声参数，然后使用参数估计值对传声器阵列接收到的信号进行能量修正，使用修正后的能量比得到声源与传声器阵列的位置关系，该方法只针对噪声进行了修正，没有考虑不同声源类型时的声音传播模型。于浩的论文《基于能量的声源目标定位与跟踪》在研究了能量模型的最大似然函数的基础上，采用了迭代的方法(主要是高斯-牛顿法)解决能量的似然函数最大值问题，但是没有对声音的实际传播模型进行修正。

综上所述，目前基于声音能量的定位算法均存在声音模型不准确的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于能量的声源定位方法，在声源开始发出声音信号时，结合到达时间差(TDOA)的定位算法和声音能量值计算出声音衰减系数。对于一个持续时间很长的声音信号，利用得到的声音衰减系数用基于能量的声源定位方法对移动声源进行多次定位。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于能量的声源定位方法，具体过程为：

S00、设置定位设备；所述定位设备包括多个无线传感器从节点，每一无线传感器从节点上安装有声音传感器阵列；

S01、利用声音传感器阵列，获取多个从节点的声音到达时间；

S02、每一从节点采集声音到达时声音信号的能量值；

S03、根据多个从节点接收到声音的到达时间差，计算出声源的位置；

S04、根据所述能量值和声源的位置，计算任意两从节点所确定的声音衰减系数α_ij；利用所述α_ij计算声音衰减系数α；

$\mathrm{\α}=\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{ij}$

其中，n表示从节点的总数；

S05、根据所述声音衰减系数α，计算第i个从节点和第j个从节点与声源的距离比k_ij；

$k_{ij}={\left(\frac{y_i\left(t\right)}{y_j\left(t\right)}\right)}^{-\frac{1}{\mathrm{\α}}}$

其中，y_i(t)表示第i个从节点在t时刻检测到的声音能量，y_j(t)表示第j个从节点在t时刻检测到的声音能量；

令根据公式(12)计算出声源位置r(t)所在的圆；

|r(t)-C_ij|²＝ρ_ij ² (12)

每两个从节点确定一个圆，获取多个从节点所确定的多个圆的交点作为声源位置。

进一步地，本发明所述定位设备还包括无线传感器主节点，所述主节点按照设定的时间间隔向多个从节点发送能量采集信号，多个从节点接收到信号时，同时开始采集声音能量。

进一步地，本发明所述声音传感器阵列为由6个声音传感器组成的圆形阵列。

有益效果：

(1)本发明所提供的方法，通过采用到达时间差和基于能量的定位算法相结合，可以准确得到声音能量的衰减系数，得到实际环境中的声音能量传播模型。

(2)本发明所提供的方法，可以对一个可移动并连续发出声音的声源进行有效定位，与使用传统的声音传播模型相比，减小了定位误差。

附图说明

图1为本发明所提供的方法的流程图；

图2为声音传感器阵列。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于能量的声源定位方法，在声源开始发出声音信号时，结合到达时间差(TDOA)的定位算法和声音能量值计算出声音衰减系数。对于一个持续时间很长的声音信号，接下来就可以用得到的声音衰减系数用基于能量的声源定位方法对移动声源进行多次定位。

一种基于能量的声源定位方法，具体过程为：

S00、设置定位设备；所述定位设备包括多个无线传感器从节点，每一无线传感器从节点上安装有声音传感器阵列；

S01、利用声音传感器阵列，获取多个从节点的声音到达时间；

S02、每一从节点采集声音到达时声音信号的能量值；

S03、根据多个从节点接收到声音的到达时间差，计算出声源的位置；

S04、根据所述能量值和声源的位置，计算任意两从节点所确定的声音衰减系数α_ij；利用所述α_ij计算声音衰减系数α；

$\mathrm{\α}=\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{ij}$

其中，n表示从节点的总数；

S05、根据所述声音衰减系数α，计算第i个从节点和第j个从节点与声源的距离比k_ij；

$k_{ij}={\left(\frac{y_i\left(t\right)}{y_j\left(t\right)}\right)}^{-\frac{1}{\mathrm{\α}}}$

其中，y_i(t)表示第i个从节点在t时刻检测到的声音能量，y_j(t)表示第j个从节点在t时刻检测到的声音能量；

令根据公式(12)计算出声源位置r(t)所在的圆；

|r(t)-C_ij|²＝ρ_ij ² (12)

每两个从节点确定一个圆，获取多个从节点所确定的多个圆的交点作为声源位置，实现对声源的持续定位。

本发明在声源开始发出声音信号时，结合到达时间差(TDOA)的定位算法和声音能量值计算出声音衰减系数。对于一个持续时间很长的声音信号，利用得到的声音衰减系数用基于能量的声源定位方法对移动声源进行多次定位。

实例：

本实例基于能量的声源定位方法，具体过程如下：

S00、设置定位设备；本实例中设备包括一个无线传感器主节点、四个无线传感器从节点、声音传感器阵列。其中，在无线传感器从节点上安装一个由六个声音传感器组成的圆形阵列。

S01、获取四个节点的声音到达时间。

对四个传感器从节点设立门限值，当声音传感器阵列检测的声音信号的AD值越过门限时，记录下越过门限的时间，并把它作为声音的到达时间，设四个传感器从节点检测的声音到达时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄。

为了减小到达时间的误差，采用如下时间同步策略：

主节点每隔5s发出一个时间同步信息，四个从节点收到后计时器同时复位，这种时间同步的方法误差在1ms以内。

S02、获取声音的能量值。

设定AD采样率3000HZ，四个从节点在声音到达时刻开始，对声音信号的能量值进行采样，采集200个点取均值并计算出声音能量；

$y=\frac{1}{200}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X})}^2---\left(1\right)$

其中，E为声音的能量值，X_i代表第i个采样点的AD值，为没有声音信号时的AD值。

为了使测量的能量值更加准确，使用一个由六个传感器组成的圆形阵列，取六个传感器测得的能量均值作为最终的能量值。传感器阵列如图2所示。

S03、使用TDOA方法得出声源位置。

根据声音的四个到达时间，两两组合可以得到两个到达时间差，假设t₁＞t₂、t₃＞t₄，节点1和节点2的时间差为：

Δt₁＝t₁-t₂ (2)

节点3和节点4的时间差为：

Δt₂＝t₃-t₄ (3)

设声音的传播速度为v，这样就可以时间差换算为距离差，节点1和节点2的距离差为：

Δs₁＝v·Δt₁ (4)

节点3和节点4的距离差为：

Δs₂＝v·Δt₂ (5)

假设四个传感器从节点的坐标已知，就可以得到两条双曲线，他们的交点就是声源位置。

S04、计算声音衰减系数。

一个声源发出的声音在空气中传播时，可以定义如下声音能量衰减模型：

其中,y_i代表第i个从节点检测到的声音能量，代表第i个从节点的增益，S代表在距离声源1m处的声音能量(可以认为它就是声源的能量)，r_i代表第i个从节点的坐标，r代表声源的坐标，α代表声音衰减系数，ε_i代表第i个从节点附近的环境噪声。

当两个传感器从节点处于相同环境下，并且噪声可以忽略时，由公式(6)可以得到

$\frac{y_i}{y_j}={\left(\frac{\left|r_j-r\right|}{\left|r_i-r\right|}\right)}^{{\mathrm{\α}}_{ij}}---\left(7\right)$

其中，y_i和y_j分别代表第i个和第j个从节点检测到的声音信号能量值，r_i和r_j分别代表第i和第j个从节点的坐标，r代表声源的坐标，α_ij代表由第i和第j个从节点所确定的声音衰减系数。

根据公式(7)可以得到第i和第j个从节点所确定的声音衰减系数α_ij，

${\mathrm{\α}}_{ij}={\log }_{\frac{\left|r_j-r\right|}{\left|r_i-r\right|}}\frac{y_i}{y_j}---\left(8\right)$

其中，y_i为第i个从节点所采集的声音信号的能量值，y_j为第j个从节点所采集的声音信号的能量值；

于是可以得到声音衰减系数为：

$\mathrm{\α}=\frac{2}{n(n-1)}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{ij}---\left(9\right)$

S05、基于能量的声源定位。

设k_ij为第i个从节点和第j个从节点与声源的距离比，有

$k_{ij}=\frac{|r\left(t\right)-r_i|}{|r\left(t\right)-r_j|}---\left(10\right)$

其中，r(t)表示在t时刻声源的位置；

主节点每隔5m会发出一个能量采集信号，四个从节点收到信号后，同时开始采集200个点取均值并计算出声音能量，由于前面已经得到声音衰减系数，则k_ij的值可以有下面公式得到：

$k_{ij}={\left(\frac{y_i\left(t\right)}{y_j\left(t\right)}\right)}^{-\frac{1}{\mathrm{\α}}}---\left(11\right)$

其中，y_i(t)为第i个从节点所采集的声音信号的能量值，y_j为第j个从节点所采集的声音信号的能量值；

令 $C_{ij}=\frac{r_i-{k_{ij}}^2{r}_j}{1-{k_{ij}}^2},{\mathrm{\ρ}}_{ij}=\frac{k_{ij}\left|r_i-r_j\right|}{1-{k_{ij}}^2},$ 公式（11）可以表示为

|r(t)-C_ij|²＝ρ_ij ² (12)

所以每两个节点就可以得到一个圆，使用多个节点就可以确定多个圆，这些圆的交点就是声源位置。

下面举一个实例来说明上述方法。

在室温环境下，四个从节点的坐标分别为(-1.4，-3.3)、(-1.4,3.3)、(1.4,3.3)、(1.4，-3.3)，在这个长6.6m、宽2.8m的矩形区域内，选取14个定位点，每个定位点定位9次取平均值，分别使用传统算法(α＝2)和的新的算法(α的值由TDOA方法获得)，本实验求得α为1.1)进行定位，定位结果见表1。平均误差对比如表2所示。可见，采用本发明所提供的方法进行定位的效果较好。

表1定位数据(单位：米)

表2效果比较(单位：米)

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于能量的声源定位方法，其特征在于，具体过程为：

S00、设置定位设备；所述定位设备包括多个无线传感器从节点，每一无线传感器从节点上安装有声音传感器阵列；

S01、利用声音传感器阵列，获取多个从节点的声音到达时间；

S02、每一从节点采集声音到达时声音信号的能量值；

S03、根据多个从节点接收到声音的到达时间差，计算出声源的位置；

S04、根据所述能量值和声源的位置，计算任意两从节点所确定的声音衰减系数α_ij；利用所述α_ij计算声音衰减系数α；

$\mathrm{\α}=\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{ij}$

其中，n表示从节点的总数；

S05、根据所述声音衰减系数α，计算第i个从节点和第j个从节点与声源的距离比k_ij；

$k_{ij}={\left(\frac{y_i\left(t\right)}{y_j\left(t\right)}\right)}^{-\frac{1}{\mathrm{\α}}}$

其中，y_i(t)表示第i个从节点在t时刻检测到的声音能量，y_j(t)表示第j个从节点在t时刻检测到的声音能量；

令根据公式(12)计算出声源位置r(t)所在的圆，其中，r_i和r_j分别代表第i和第j个从节点的坐标；

|r(t)-C_ij|²＝ρ_ij ² (12)

每两个从节点确定一个圆，获取多个从节点所确定的多个圆的交点作为声源位置。

2.根据权利要求1所述基于能量的声源定位方法，其特征在于，所述定位设备还包括无线传感器主节点，所述主节点按照设定的时间间隔向多个从节点发送能量采集信号，多个从节点接收到信号时，同时开始采集声音能量。

3.根据权利要求1所述基于能量的声源定位方法，其特征在于，所述声音传感器阵列为由6个声音传感器组成的圆形阵列。