CN108562870B

CN108562870B - 一种声源定位校准方法

Info

Publication number: CN108562870B
Application number: CN201810360669.XA
Authority: CN
Inventors: 行鸿彦; 杨旭
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: CN108562870A

Abstract

本发明公开了一种声源定位校准方法，该声源定位校准方法通过建立三维传声器阵列模型，利用几何定位法进行反演确定声源方位，然后确定观测视角，以观测视角为基准，对声源方位进行校准。本发明通过观测视角进行数据转换，能够便于观测视角获得更直观的数据，且误差小，可应用于实际进行实时声源定位。

Description

一种声源定位校准方法

技术领域

本发明涉及一种对声源定位校准的方法。

背景技术

声音无处不在，伴随着人们的日常生活。近年来，随着工业、民用和军事领域对定位系统应用需求的急剧增加，定位系统、声音识别系统和声源探测系统已然成为新的研究热点。基于传声器阵列对声源进行定位这一技术，逐渐成为人们研究的方向。但在实际环境中，并不能直观地传递给观测方声源实际所在的空间方位信息。因此，为了更好的掌握目标声源的实际情况，在定位误差较低的情况下进行声源方位定位校准，具有较大的实际意义。

行鸿彦等人提出一种大气电场数据的海拔校准方法，以提高电场联网数据的一致性，扩大雷暴监测范围，有效解决各观测站数据统一的问题，避免电场联网出现的严重失真,但校准方法仅限于海拔垂直方向，仍无法从大气电场仪观测视角进行雷暴云监测。王布宏等人提出一种利用辅助阵元对方位依赖的阵元幅相误差进行自校正的新方法，虽然该方法适用于任意的阵列几何结构，且其运算量小，但仅能应用于二维空间。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种误差小的声源方位校准方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种声源定位校准方法，该声源定位校准方法通过建立三维传声器阵列模型，利用几何定位法进行反演确定声源方位，然后确定观测视角，以观测视角为基准，对声源方位进行校准。

进一步的，上述三维传声器阵列采用四元至七元传声器阵列模型。

进一步的，上述对声源方位进行校准的过程如下：观测视角N位于传声器阵列的坐标系中，坐标记为(X,Y,Z)，反演得到的声源方位坐标记为(xx,yy,zz)；将该坐标(X，Y，Z)转换为(0,0,0)并建立新的坐标系，新的坐标系坐标轴为x'-y'-z'；则反演得到的声源方位坐标(xx,yy,zz)转换为(xx-X,yy-Y,zz-Z),将(xx-X,yy-Y,zz-Z)等效为(XX,YY,ZZ)；设水平偏角，即与新坐标系x'正半轴的夹角为h₁，范围在[0,360°]之间；仰角，即与新坐标系x'-y'-0平面的夹角为h₂，范围在[-90°,90°]之间；h₂的值若为正则代表声源在观测视角N所在平面的上方，若为负则代表在观测视角N所在平面下方；(XX,YY,ZZ)到N的距离为RR；则根据以下公式进行声源方位校准：

XX＝xx-X (51)

YY＝yy-Y (52)

ZZ＝zz-Z (53)

当XX＞0时，

当XX＜0时，

当XX＝0、YY＞0时，h₁＝90° (57)

当XX＝0、YY＜0时，h₁＝-90° (58)

h₂的值为：

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明通过观测视角进行数据转换，能够便于观测视角获得更直观的数据，且误差小，可应用于实际进行实时声源定位。同时本发明通过建立三维传声器阵列模型立体直观，利用几何定位法进行声源方位反演，运算量低、定位精度高。

附图说明

图1为本发明实施例1采用的四元传声器阵列模型示意图；

图2为本发明实施例2采用的七元十字阵模型示意图；

图3为本发明实施例3基于传声器观测视角的声源定位校准示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1(雷声声源定位)

本发明的一种基于传声器观测视角的声源定位校准方法，具体包括以下处理过程:

步骤1，给出第一种雷声声源定位反演算法(如图1所述)，其基于四元传声器阵列模型，雷声声源传播速度为c，假设声源S的空间位置为(x，y，z)，r为声源到坐标原点的距离，z应大于零。S传播到S0(0,0,0)、S1(0,h,0)、S2(l,0,0)、S3(l,h,0)的时间分别为t₀、t₁、t₂、t₃并结合模型中设定的4个传声器的空间位置得出3个相对时延值：Δt₁＝t₁-t₀，Δt₂＝t₂-t₀，Δt₃＝t₃-t₀。

步骤2，从图1中表示S到S0、S1、S2、S3的距离得出4个几何等式：

x²+y²+z²＝r² (1)

x²+(y-h)²+z²＝(ct₁)²＝(cΔt₁+r)² (2)

(x-l)²+y²+z²＝(ct₂)²＝(cΔt₂+r)² (3)

(x-l)²+(y-h)²+z²＝(ct₃)²＝(cΔt₃+r)² (4)

步骤3，令c₁＝cΔt₁,c₂＝cΔt₂,c₃＝cΔt₃，可得出：

2yh+2rc₁＝h²-c₁ ² (5)

2xl+2rc₂＝l²-c₂ ² (6)

2xl+2yh+2rc₃＝h²+l²-c₃ ² (7)

步骤4，令A＝l(h²-c₁ ²),B＝-h(l²-c₂ ²),D＝c₁(l²-c₂ ²)-c₂(h²-c₁ ²)，可得出：

AcosH₂cosH₁+BcosH₂sinH₁＝D (8)

步骤5，引入

(8)变为：

步骤6，令E＝l(h²-c₃ ²+c₂ ²)，F＝-h(l²-c₃ ²+c₁ ²)，

G＝(c₃-c₂)(l²-c₃ ²+c₁ ²)-(c₃-c₁)(h²-c₃ ²+c₂ ²)，可得出：

EcosH₂cosH₁+FcosH₂sinH₁＝G (10)

步骤7，引入

(10)变为：

步骤8，令

由(9)和(11)可得出H1(为反演值)，可与H11(为正演值)比较得出误差：

当x＞0时，

当x＜0时，

步骤9，将(5)写成极坐标形式可得出仰角H2(为反演值)并与H22(为正演值)进行比较得出误差：

H₂＝arccos((h²-c₁ ²-2*rr*c₁)/(2*rr*sin(H₁)*h)) (15)

步骤10，求出反演结果(xx，yy，zz)并与(x，y，z)比较得出误差：

xx＝rcosH₂cosH₁ (17)

yy＝rcosH₂sinH₁ (18)

zz＝rsinH₂ (19)

由于H1、H2涉及到arctanx函数，其上下限为(-90°，90°)，所以最终：

当xx＞0时，H1、H2的值仍为(12)、(15)；

当xx＜0时，

实施例2(空间声源定位)

步骤11，给出第二种声源定位反演算法(如图2所示)，其基于七元十字阵模型，参照图2，设声音传播速度为c，声源S的空间位置为(x，y，z)，r为声源到坐标原点M₀的距离。S传播到传声器M₀(0,0,0)、M₁(a,0,0)、M₂(0,a,0)、M₃(-a,0,0)、M₄(0,-a,0)、M₅(0,0,a)、M₆(0,0,-a)的时间分别为t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，并根据模型设定5组相对时延值：T₁＝t₁-t₀，T₂＝t₂-t₀,T₃＝t₃-t₀，T₄＝t₄-t₀，T₅＝t₆-t₅。H₁为S与x正半轴的夹角称为水平偏角，范围在[0,360°]之间；H₂为S与x-y-0平面所形成的仰角，范围在[-90°,90°]之间，且H₂的值若为正(T₅＞0)则代表声源在x-y-0平面上方，若为负(T₅＜0)则代表在下方。

步骤12，从图2中表示S到M₀、M₁、M₂、M₃、M₄的距离得出5个几何等式：

x²+y²+z²＝r² (22)

(x-a)²+y²+z²＝(r+cT₁)² (23)

x²+(y-a)²+z²＝(r+cT₂)² (24)

(x+a)²+y²+z²＝(r+cT₃)² (25)

x²+(y+a)²+z²＝(r+cT₄)² (26)

步骤13，由步骤12可得出：

-2ax+a²＝2rcT₁+c²T₁ ² (27)

-2ay+a²＝2rcT₂+c²T₂ ² (28)

2ax+a²＝2rcT₃+c²T₃ ² (29)

2ay+a²＝2rcT₄+c²T₄ ² (30)

步骤14，由步骤13可得出：

2ax(T₁+T₃)＝(a²-c²T₁ ²)T₃-(a²-c²T₃ ²)T₁ (31)

2rc＝(2a²-c²T₂ ²-c²T₄ ²)/(T₂+T₄) (32)

4ax＝2rc(T₃-T₁)+c²(T₃ ²-T₁ ²) (33)

步骤15，将(32)代入(33)可得：

4ax(T₂+T₄)＝(2a²-c²T₂ ²-c²T₄ ²)(T₃-T₁)+c²(T₃ ²-T₁ ²)(T₂+T₄) (34)

步骤16，令m＝T₁+T₂+T₃+T₄，n＝T₁ ²+T₂ ²+T₃ ²+T₄ ²，由(31)和(34)可得出：

4amx＝(T₃-T₁)[4a²-c²n+c²m(T₃+T₁)] (35)

步骤17，令e＝T₃+T₁，f＝T₃-T₁，g＝T₄-T₂，则(35)变为：

步骤18，同理可得出：

2rc＝(2a²-c²T₁ ²-c²T₃ ²)/(T₁+T₃) (37)

步骤19，(32)加上(37)可得：

以上xx、yy、rr均为反演值可与正演值x、y、r比较进行误差分析。

步骤20，由图2可得：

xx＝rrcosH₂₂cosH₁₁ (40)

zz＝rrsinH₂₂ (41)

当xx＞0时，

当xx＜0时，

步骤21，根据(40)可得出：

当T₅＞0时，

当T₅＜0时，

步骤22，根据(41)求出zz。

步骤23，求出正演值H₁、H₂的值：

当x＞0时，

当x＜0时，

当x＝0、y＞0时，H₁＝90° (48)

当x＝0、y＜0时，H₁＝-90° (49)

H₂的值均为：

步骤24，比较正演值(x,y,z)与反演值(xx,yy,zz)和正演值H₁、H₂与反演值H₁₁、H₂₂继而进行误差分析。

实施例3(声源定位校准)

步骤25，上述两个实施例的步骤的侧重点在于得到反演出的声源坐标，从而进行接下来的校准。设观测视角N位于原传声器阵列的坐标系中，记为(X,Y,Z)。参照图3，将(X，Y，Z)转换为(0,0,0)并建立新的坐标系，那么(xx,yy,zz)转换为(xx-X,yy-Y,zz-Z),将(xx-X,yy-Y,zz-Z)等效为(XX,YY,ZZ)。设水平偏角(与新坐标系x'正半轴的夹角)为h₁，范围在[0,360°]之间；仰角(与新坐标系x'-y'-0平面的夹角)为h₂，范围在[-90°,90°]之间。h₂的值若为正则代表声源在观测视角N所在平面的上方，若为负则代表在平面下方；

(XX,YY,ZZ)到N的距离为RR；则：

XX＝xx-X (51)

YY＝yy-Y (52)

ZZ＝zz-Z (53)

当XX＞0时，

当XX＜0时，

当XX＝0、YY＞0时，h₁＝90° (57)

当XX＝0、YY＜0时，h₁＝-90° (58)

h₂的值为：

此外，通过仿真比较声源的正演方位与反演方位，可以分析误差来评价本发明的两种算法对声源定位的效果。如表1、表2所示，两种声源定位算法最终的仿真结果误差为零，这足以表明，两种声源定位算法是非常有效的。

表1实施例1中雷声声源定位仿真结果及误差分析

表2实施例2中空间声源定位仿真结果及误差分析

如表3所示，假定声源所在空间位置为(-100,150,200)，当确定观测视角N为(120,130，-60)时，校准后的声源坐标为(-220,20,260)，且可以得到精确的水平偏角和仰角值，这表明本发明的一种基于传声器观测视角的声源定位校准方法是可行的。

表3实施例3中声源定位校准前后对比表

本发明基于传声器阵列进行数学建模，建立了四元和七元两种模型，模拟声源(x,y,z)的存在；利用两种几何定位算法并根据模型进行公式推导；仿真结果如表1、表2所示，并根据结果进行误差分析。然后通过从阵列视角到观测视角的转换，得出更直观的声源定位观测数据。结果表明，仿真误差为零，符合几何定位法的等式特性，且校准方法直观有效，具有明显效果。

Claims

1.一种声源定位校准方法，其特征在于：所述声源定位校准方法通过建立三维传声器阵列模型，利用几何定位法进行反演确定声源方位，然后确定观测视角，以观测视角为基准，对声源方位进行校准；

所述对声源方位进行校准的过程如下：观测视角N位于传声器阵列的坐标系中，坐标记为(X,Y,Z)，反演得到的声源方位坐标记为(xx,yy,zz)；将该坐标(X，Y，Z)转换为(0,0,0)并建立新的坐标系，新的坐标系坐标轴为x'-y'-z'；则反演得到的声源方位坐标(xx,yy,zz)转换(xx-X,yy-Y,zz-Z),将(xx-X,yy-Y,zz-Z)等效为(XX,YY,ZZ)；设水平偏角，即与新坐标系x'正半轴的夹角为h₁，范围在[0°,360°]之间；仰角，即与新坐标系x'-y'-0平面的夹角为h₂，范围在[-90°,90°]之间；h₂的值若为正则代表声源在观测视角N所在平面的上方，若为负则代表在观测视角N所在平面下方；(XX,YY,ZZ)到N的距离为RR；则根据以下公式进行声源方位校准：

XX＝xx-X (51)

YY＝yy-Y (52)

ZZ＝zz-Z (53)

当XX>0时，

当XX<0时，

当XX＝0、YY>0时，h₁＝90° (57)

当XX＝0、YY<0时，h₁＝-90° (58)

h₂的值为：

2.根据权利要求1所述的声源定位校准方法，其特征在于：所述三维传声器阵列采用四元至七元传声器阵列模型。