CN107396244B - 一种基于麦克风阵列的声源定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于麦克风阵列的声源定位系统，包括音频采集单元、音频分析单元和目标定位单元，音频采集单元与音频分析单元建立数据连接并向其发送所采集的音频信息，音频分析单元与目标定位单元建立数据连接并向其发送分析结果，目标定位单元根据分析结果对目标进行定位。本发明根据时间延时信息和目标方位信息能够计算出目标距离信息，从而实现对声源的定位，该定位方法准确可靠。声源定位后，可以帮助确认异响发出声源点，以辅助确认故障点位置，从而方便电梯故障排查。

Description

一种基于麦克风阵列的声源定位系统及方法

技术领域

本发明涉及声学领域，特别是涉及用麦克风阵列信号处理来定位声源目标的技术。

背景技术

当今社会，麦克风阵列系统已经应用于许多场合，包括视频会议、语音识别、人声识别、汽车环境语音获取、混响环境声音拾取、声源定位和助听装置等。其中麦克风阵列的声源定位方法具有广泛的应用前景和潜在的经济效益。本专利一种基于麦克风阵列波束形成定位声源的方法，在给出待定位目标的方位距离信息，还可进一步进行音频提取与分类识别。该方法应用于语音识别、语音获取等领域时有十分重要的意义。中国专利CN105607042A公开了一种用麦克风阵列时延估计定位声源的方法，该方法包括时延估计和声源定位，首先，通过算法估计声源信号到达阵列中麦克风阵元的相对时间差；第二步则利用估计时间差来计算出声源到达各阵元的距离差，然后结合阵列拓扑结构用几何算法或搜索确定声源位置。该方案中目标方位信息未知，目标距离信息仅根据几何拓扑得到，无法实现对目标的准确定位，也无法获得目标的方位坐标信息，只能够对声源进行估计，无法最终确定目标的距离。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种基于麦克风阵列的声源定位系统，通过该系统能够对声源目标进行方位和距离的定位，克服背景技术中存在的缺陷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于麦克风阵列的声源定位系统，包括音频采集单元、音频分析单元和目标定位单元，音频采集单元与音频分析单元建立数据连接并向其发送所采集的音频信息，音频分析单元与目标定位单元建立数据连接并向其发送分析结果，目标定位单元根据分析结果对目标进行定位。

进一步地，音频采集单元采用普通摄像机，深度相机，拾音器，麦克风中的一种或多种，音频采集单元安装在电梯轿厢内用于采集轿厢内的音频信息，为后续单元提供分析基础。

进一步地，音频采集单元为多个，多个音频采集单元并联接入音频分析单元的输入端。

进一步地，音频分析单元包括CPU，ARM，DSP，GPU，FPGA，ASIC，音频分析单元根据音视频采集单元传入的音频信息进行技术分析，分别得到各通道间信号的时延信息，以及待定位目标的方位信息，同时能够计算得到待计算目标回波的时频特性。

进一步地，目标定位单元根据得到目标方位信息、各通道间时延信息，计算得到待定位目标的实时距离。

本发明还提供一种基于麦克风阵列的声源定位方法，该方法应用上述系统，并包括以下步骤：

(1)音频采集单元采集电梯轿厢内的音频信息并将其发送至音频分析单元，

(2)音频分析单元通过音频互谱时延估计分析出音频信号各通道间的时间延迟信息，

(3)音频分析单元根据已知的麦克风阵列计算得到待定位声源的目标方位信息，并将时间延迟信息和目标方位信息发送至目标定位单元，

(4)目标定位单元根据时间延迟信息和目标方位信息计算得到待定位声源的目标距离信息，从而实现对该声源的定位。

进一步地，音频互谱时延估计的方法包括离散变换、互谱处理。

进一步地，在计算目标方位信息是采用的方法包括波束形成、自功率谱。

本发明的有益效果是：本发明首先通过音频互谱时延估计得到音频信号各通道间的时间延时信息，同时根据已知麦克风阵列计算出声源的目标方位信息，能够对目标方位首先进行准确定位，并且，根据时间延时信息和目标方位信息能够计算出目标距离信息，从而实现对声源的定位，该定位方法准确可靠。根据声源定位后，可以帮助确认异响发出声源点，以辅助确认故障点位置，从而方便电梯故障排查。

附图说明

图1是本发明的系统位置示意图。

其中a、b、c分别表示不同麦克风阵元对应声源观测角，R₁、R₂、R₃分别表示不同阵元距离声源距离，d₁、d₂分别表示阵元1到阵元2、阵元2到阵元3 的距离。

图2是本发明的系统框图。

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

参照附图1。

一种基于麦克风阵列的声源定位系统，包括音频采集单元1、音频分析单元 2和目标定位单元3，音频采集单元1与音频分析单元2建立数据连接并向其发送所采集的音频信息，音频分析单元2与目标定位单元3建立数据连接并向其发送分析结果，目标定位单元3根据分析结果对目标进行定位。音频采集单元1 为多个，多个音频采集单元1并联接入音频分析单元2的输入端，多个音频采集单元1可以采集多个方位的声源信号。

音频采集单元1安装在电梯轿厢内，并通过有线或者无线的方式(通常是无线居多)与音频分析单元2建立数据连接并向其发送所采集的音频信息，音频采集单元1采用普通摄像机，深度相机，拾音器，麦克风中的一种或多种，音频采集单元安装在电梯轿厢内用于采集轿厢内的音频信息，为后续单元提供分析基础。

音频分析单元2包括CPU，ARM，DSP，GPU，FPGA，ASIC，音频分析单元2根据音视频采集单元1传入的音频信息进行技术分析，分别得到各通道间信号的时延信息，以及待定位目标的方位信息，同时能够计算得到待计算目标回波的时频特性。

目标定位单元3根据得到目标方位信息、各通道间时延信息，计算得到待定位目标的实时距离，从而实现对声源目标的定位。

参照附图2、3。

利用上述声源定位系统进行声源定位的方法，具体包括以下步骤：

(1)音频采集单元采集电梯轿厢内的音频声压数据并将其发送至音频分析单元，

(2)音频分析单元通过音频互谱时延估计(例如离散变换)分析出音频信号各通道间的时间延迟信息，具体步骤为：

根据图1所示，分别对每通道麦克风采集的声压信号进行离散傅立叶变换，得到各阵元接收信号的功率谱。再分别对阵元1功率谱、阵元2功率谱，阵元2 功率谱、阵元3的功率谱进行互谱时延估计，获得阵元1到阵元2的信号时间延迟τ₁₂、阵元2到阵元3的时间延迟τ₂₃。

(3)音频分析单元根据已知的麦克风阵列计算得到待定位声源的目标方位信息，并将时间延迟信息和目标方位信息发送至目标定位单元，

结合上一步骤获得阵元1到阵元2的信号时间延迟τ₁₂、阵元2到阵元3的时间延迟τ₂₃。以及各阵元之间间距d₁、d₂，即可确定波束形成的导向矢量选取中间阵元作为观测坐标原点，使用常规波束形成算法，得到阵元对目标声源的观测角中b。

(4)目标定位单元根据时间延迟信息和目标方位信息采用包括但不限于波束形成、自谱功率等方法计算得到待定位声源的目标距离信息，从而实现对该声源的定位。

根据上述公式推理得到阵元2到目标距离为

。

Claims (3)

1.一种基于麦克风阵列的声源定位方法，其特征是，该方法包括音频采集单元、音频分析单元和目标定位单元，音频采集单元与音频分析单元建立数据连接并向其发送所采集的音频信息，音频分析单元与目标定位单元建立数据连接并向其发送分析结果，目标定位单元根据分析结果对目标进行定位；音频采集单元采用普通摄像机，深度相机，拾音器，麦克风中的一种或多种，音频采集单元安装在电梯轿厢内用于采集轿厢内的音频信息，为后续单元提供分析基础；音频采集单元为多个，多个音频采集单元并联接入音频分析单元的输入端；音频分析单元包括CPU，ARM，DSP，GPU，FPGA，ASIC，音频分析单元根据音视频采集单元传入的音频信息进行技术分析，分别得到各通道间信号的时延信息，以及待定位目标的方位信息，同时能够计算得到待计算目标回波的时频特性；目标定位单元根据得到目标方位信息、各通道间时延信息，计算得到待定位目标的实时距离；并包括以下步骤：

(1)音频采集单元采集电梯轿厢内的音频信息并将其发送至音频分析单元，

(2)音频分析单元通过音频互谱时延估计分析出音频信号各通道间的时间延迟信息，

(3)音频分析单元根据已知的麦克风阵列计算得到待定位声源的目标方位信息，并将时间延迟信息和目标方位信息发送至目标定位单元，

(4)目标定位单元根据时间延迟信息和目标方位信息计算得到待定位声源的目标距离信息，从而实现对该声源的定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵列的声源定位方法，其特征是，音频互谱时延估计的方法包括离散变换、互谱处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵列的声源定位方法，其特征是，在计算目标方位信息是采用的方法包括波束形成、自功率谱。