CN106093866A - 一种适用于空心球阵列的声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于空心球阵列的声源定位方法。该方法结合空心球阵列和最大似然估计的优点，在不影响空间声场的情况下，使用最大似然估计策略，准确定位空间声源方向。本发明的显著优点在于：(1)将传声器接收到的信号变换到球谐域，可降低计算复杂度；(2)使用最大似然估计策略，能够获得较高的空间分辨率和定位准确度；(3)避免了球贝塞尔函数的除法，有效解决了空心球阵列在球贝塞尔函数零点对应频率处鲁棒性弱的问题；(4)可以直接扩展到宽带，降低了球阵列宽带定位算法扩展的复杂度，适用于混响声场；(5)除了适用于空心球阵列以外，该方法同样适用于刚性球阵列以及使用单指向传声器的球阵列。

Description

一种适用于空心球阵列的声源定位方法

一、技术领域

本发明提出了一种适用于空心球阵列的声源定位方法，结合空心球阵列和最大似然估计的优点，在不影响空间声场的情况下，使用最大似然估计策略，处理球谐域信号，避免球贝塞尔函数除法，准确定位空间声源方向，定位方法可有效扩展到宽带信号的处理场景。

二、背景技术

球形传声器阵列具有旋转对称结构，能够设计指向空间任意方向的波束，被广泛应用在波达方向估计、房间脉冲响应分析、声源定位以及房间结构预测中，为近年研究的热门话题。空心球阵列能够在不影响测量声场的情况下，获得空间信息，因而更适用于实际应用场景。

文献[I.Balmages&B.Rafaely，Open-sphere designs for sphericalmicrophone arrays]提出了一种使用双层空心球阵列的结构，在声源定位中，能够避免球贝塞尔函数零点处空心球阵列鲁棒性较弱的问题，但是需要两倍的传声器数目。文献[B.Rafaely，The spherical-shell microphone array]提出了一种球体阵列结构，能够避免球贝塞尔函数零点处空心球阵列鲁棒性较弱的问题，但是传声器单元的半径不固定，实现较为复杂。文献[B.Rafaely，Bessel nulls recovery in spherical microphonearrays for time-limited signals]在球阵列宽带声源定位时，跳过球贝塞尔函数零点对应的频率，鲁棒性较高，但是方法灵活度较低。专利CN 102866385A和专利CN 103592628A分别提出了一种基于球谐域子空间分解和一种基于球谐域实值权重波束形成的声源定位方法，可以应用于空心球阵列，并且获得较高的空间分辨率，但是上述两种方法并未扩展到宽带，不适用于混响声场。

本专利针对现有球阵列声源定位技术的弱点，提出一种适用于空心球阵列的声源定位方法。

三、发明内容

发明目的：本发明提出来一种适用于空心球阵列的声源定位方法，使用空心球阵列，在不改变测量声场的情况下，使用最大似然策略，准确定位声源位置。

技术方案：为达到上述发明的目的，本发明所提出的技术方案如下：将球形传声器阵列接收到的时域信号，经过快速傅里叶变换和球谐变换，将信号变换到球谐域，使用最大似然估计策略，避免球贝塞尔函数的除法，最终准确估计空间声源的方向。

本发明中信号在球谐域的表达式p_nm(k)＝[p_0，0(k)，p_1，-1(k)，p_1，0(k)，p_1，1(k)，...，p_N，N(k)]^T中每一项可以表示为：

$p_{n,m}\left(k\right)\≈\underset{q=1}{\overset{Q}{\Σ}}\frac{4\mathrm{\π}}{Q}p(k,{\mathrm{\Ω}}_q)Y_{n,m}^{*}\left({\mathrm{\Ω}}_q\right),n\≤N,\left|m\right|\≤n---\left(1\right)$

其中，Ω_q＝(θ_q，φ_q)为第q个传声器的位置，θ和φ分别是空间仰角和方位角，p(k，Ω_q)为频域信号，Y_n，m为n阶m次球谐函数，k为波数，Q为传声器数目，N为球阵列阶数，(·)^*表示共轭。

本发明使用最大似然估计策略，进行单频空间声源定位，计算方法如下：

其中，表示伪逆，d_nm(k，Ψ)为方向Ψ处的球谐域导向向量，可以表示为：

d_nm(k，Ψ)＝B(k)y^*(Ψ) (3)

B(k)＝diag{b₀(k)，b₁(k)，b₁(k)，b₁(k)，...，b_N(k)} (4)

y(Ψ)＝[Y_0，0(Ψ)，Y_1，-1(Ψ)，Y_1，0(Ψ)，Y_1，1(Ψ)，...，Y_N，N(Ψ)]^T (5)

对于空心球阵列b_n(k)＝4πiⁿj_n(ka)，j_n(ka)为n阶球贝塞尔函数，a为球阵列半径。公式(2)为单频声源定位方法，回避了球贝塞尔函数b_n(k)的除法，解决的b_n(k)零点对应频率处鲁棒性弱的问题。

在混响声场中，宽带空间声源定位往往会有更好的准确性，本发明的定位方法可以很容易地扩展到宽带场景，定位方法如下：

式中，k_min和k_max分别表示最低频率和最高频率对应的波数。

本发明提出的声源定位方法，适用于多种阵列形式，如空心球阵列、刚性球阵列和使用单指向传声器的球阵列。

四、附图说明

图1是本发明提出的声源定位方法的流程图

图2是本发明在消声室中声源定位实验结果(a)单频(b)宽带

图3是本发明在视听室中声源定位实验结果(a)单频(b)宽带

五、具体实施方式

附图1是使用本发明提出的声源定位方法的流程图，对传声器接收到的时域信号进行分帧，对每帧信号做快速傅里叶变换，获得频域信号p(k，Ω_q)，对频域信号进行球谐变换，获得球谐域信号p_nm(k)，球谐变换可以表示为：

$p_{n,m}\left(k\right)\≈\underset{q=1}{\overset{Q}{\Σ}}\frac{4\mathrm{\π}}{Q}p(k,{\mathrm{\Ω}}_q)Y_{n,m}^{*}\left({\mathrm{\Ω}}_q\right),n\≤N,\left|m\right|\≤n---\left(7\right)$

其中，Ω_q＝(θ_q，φ_q)为第q个传声器的位置，θ和φ分别是空间仰角和方位角，p(k，Ω_q)为频域信号，Y_n，m为n阶m次球谐函数，k为波数，Q为传声器数目，N为球阵列阶数，(·)^*表示共轭。

使用最大似然策略，进行单频空间声源定位，计算方法如下：

其中，表示伪逆，d_nm(k，Ψ)为方向Ψ处的球谐域导向向量，可以表示为：

d_nm(k，Ψ)＝B(k)y^*(Ψ) (9)

B(k)＝diag{b₀(k)，b₁(k)，b₁(k)，b₁(k)，...，b_N(k)} (10)

y(Ψ)＝[Y_0，0(Ψ)，Y_1，-1(Ψ)，Y_1，0(Ψ)，Y_1，1(Ψ)，...，Y_N，N(Ψ)]^T (11)

对于空心球阵列b_n(k)＝4πiⁿj_n(ka)，j_n(ka)为n阶球贝塞尔函数，a为球阵列半径。

对于混响声场，使用单频声源定位误差较大，本发明提出的声源定位方法可以直接扩展到宽带，使用最大似然估计策略，进行宽带空间声源定位，计算方法如下：

式中，k_min和k_max分别表示最低频率和最高频率对应的波数。

使用本发明提出的声源定位方法，分别在消声室和视听室中进行了实验，实验中使用一个8单元均匀分布空心球阵列，球阵列半径为13.9cm，球谐分解展开阶数N＝1，每帧时域信号帧长K＝1024，采样频率为f_s＝16kHz，单频信号频率满足ka＝1，宽带信号为白噪声，宽带声源定位时使用的频率范围ka∈[0.5，1]。图2给出了消声室中声源定位实验结果，图中黑色圆圈表示实际声源位置，可以看出消声室中，使用单频和宽带定位方法，均可以获得较好的声源定位结果，对于一个10s的宽带信号，定位的均方根误差为0.58°。图3给出了试听室中声源定位实验结果，图中可以看出试听室中，由于混响的存在，使用单频定位方法无法准确定位声源的方向，而使用本发明提出的宽带声源定位方法，可以准确定位声源的方向。对于一个10s的宽带信号，定位的均方根误差为4.43°。

本实施例只给出了空心球阵列的相关结果，而本发明提出的声源定位方法同样适用于刚性球阵列和使用单指向传声器的球阵列。

Claims (6)

1.一种适用于空心球阵列的声源定位方法，其处理方法包含如下步骤：(1)根据空心球阵列中传声器的位置，以及传声器接收到的时域信号，通过快速傅里叶变换和球谐变换，获得信号在球谐域的表达式p_nm(k)；第二步、根据信号在球谐域的表达式p_nm(k)，以及空间任意一个方向Ψ处的球谐域导向向量d_nm(k，Ψ)，使用最大似然估计策略，获得波数k对应频率(k＝2πf/c，c表示声速，f表示频率)下的定位结果；第三步、根据设定的波数上下限k_min和k_max，将算法扩展到宽带，获得宽带下的定位结果。

2.如权利要求1所述的一种适用于空心球阵列的最大似然声源定位方法，其特征在于：信号在球谐域的表达式p_nm(k)＝[p_0，0(k)，p_1，-1(k)，p_1，0(k)，p_1，1(k)，...，p_N，N(k)]^T中的每一项可以表示为：

$p_{n,m}\left(k\right)\≈\underset{q=1}{\overset{Q}{\Σ}}\frac{4\mathrm{\π}}{Q}p(k,{\mathrm{\Ω}}_q)Y_{n,m}^{*}\left({\mathrm{\Ω}}_q\right),n\≤N,\left|m\right|\≤n---\left(1\right)$

其中，Ω_q＝(θ_q，φ_q)为第q个传声器的位置，θ和φ分别是空间仰角和方位角，p(k，Ω_q)为频域信号，Y_n，m为n阶m次球谐函数，k为波数，Q为传声器数目，N为球阵列阶数，(·)^*表示共轭。

3.如权利要求1所述的一种适用于空心球阵列的声源定位方法，其特征在于：使用最大似然估计策略，避免球贝塞尔函数的除法。

4.如权利要求1所述的一种适用于空心球阵列的声源定位方法，其特征在于：单频信号声源定位计算方法如下：

其中，表示伪逆，d_nm(k，Ψ)为方向Ψ处的球谐域导向向量，可以表示为：

d_nm(k，Ψ)＝B(k)y^*(Ψ) (3)

B(k)＝diag{b₀(k)，b₁(k)，b₁(k)，b₁(k)，...，b_N(k)} (4)

y(Ψ)＝[Y_0，0(Ψ)，Y_1，-1(Ψ)，Y_1，0(Ψ)，Y_1，1(Ψ)，...，Y_N，N(Ψ)]^T (5)

对于空心球阵列b_n(k)＝4πiⁿj_n(ka)，j_n(ka)为n阶球贝塞尔函数，a为球阵列半径。

5.如权利要求1所述的一种适用于空心球阵列的声源定位方法，其特征在于：宽带信号声源定位计算方法如下：

式中，k_min和k_max分别表示最低频率和最高频率对应的波数。

6.如权利要求1所述的一种适用于空心球阵列的声源定位方法，其特征在于：该方法适用于多种阵列形式，如空心球阵列、刚性球阵列和使用单指向传声器的球阵列。