CN109164416B - 一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，具体步骤包括建立三平面五元传声器阵列模型；根据声源几何定位原理，推导单一五元传声器阵列声源方位计算公式；分别将平面阵列定位得出的两个俯仰角正弦、余弦值作为复合加权系数；引入三平面五元传声器阵列的声源定位方法计算出最终声源球坐标。本发明将融合算法运用到声源定位中，建立三平面五元传声器阵列进行研究，能够解决单面阵列容易出现的测量方位模糊问题，可以有效降低空间声源处于极端角度时对声源定位精度和稳定性的影响，大大提高声源定位的精确度和稳定性。

Description

一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法

技术领域

本发明属于声源定位技术领域，具体涉及一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法。

背景技术

信号是表示消息的物理量，人类可以通过信号收集环境中的重要信息，尤其是声源信号，它是由物体振动而发生的声波，也是声波通过任何物质传播形成的运动。声音作为一种波，频率在20Hz到20kHz之间的声音是可以被人耳识别的。因此，可通过接收声源信号并引入算法对目标声源进行定位。传声器阵列具有消除噪声和目标跟踪等功能，也可以用于被动接收声信号，使得采集声源信号进行研究变得富有实际意义。传声器阵列系统就是将一定数量的传声器按照一定的拓扑结构摆放而组成的系统，对接收到来自不同方向的空间声信号进行实时处理。近些年，随着传声器、物理学、数学和信号处理等学科领域技术的迅猛发展，传声器阵列的声源定位技术已得到国内外科研人员的广泛关注，开展了对传声器阵列设计和声源定位算法编写的声探测技术研究工作。

国内方面，居太亮等人结合远场窄带信号的子阵算法和麦克风阵列信号处理的特点，提出麦克风阵列的声源三维定位子阵算法,把阵列分成两个位置不同的子阵并调节其位置,利用两个子阵的互相关矩阵,实现了声源定位。吴晓平等人通过分析声音能量距离衰减模型,提出约束线性最小二乘法以提高定位精度，对信标节点位置坐标存在高斯噪声下定位计算方法进行改进，减小声音定位误差。

估计到达时延会产生误差，测距测向误差难以避免，特别当水平角和俯仰角处在零或九十度的极端角度附近时，误差会表现地更加明显，这容易对声源定位精度和稳定性造成较大影响。

所以，需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，提供一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，能够解决单面阵列易出现测量方位模糊问题，有效减小空间声源处于极端角度时，对声源定位精度和稳定性的影响，并且将融合算法运用到声源定位中，建立三平面五元传声器阵列进行研究，以提高声源定位的精确度和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，包括如下步骤：

S1：建立包含X0Y、X0Z、Y0Z三个平面的五元立体传声器阵列模型；

S2：分别计算声源S通过X0Y、X0Z和Y0Z三个平面内的传声器阵列得到的球坐标S₀、S₁和S₂；

S3：基于S₀、S₁和S₂，利用融合算法计算得到声源S的球坐标。

进一步地，所述步骤S1中建立的三平面五元传声器阵列模型具体如下：

S1中的三平面五元传声器阵列模型包括7个传声器，分别是M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6，其中，M0位于原点(0,0,0)处，以M0为基准传声器，其余6个传声器坐标分别为:M1(a，0，0)、M2(0，a，0)、M3(-a，0，0)、M4(0，-a，0)、M5(0，0，a)、M6(0，0，-a)，a为上述六个传声器与坐标原点之间的距离；

X0Y平面内的4个传声器M1、M2、M3、M4与M0为第一个单面五元传声器阵列；

X0Z平面内的4个传声器M1、M3、M5、M6与M0为第二个单面五元传声器阵列；

Y0Z平面内的4个传声器M2、M4、M5、M6与M0为第三个单面五元传声器阵列。

三个五元传声器阵列都以M0为基准传声器，声源S传播到M1、M2、M3、M4、M5、M6与M0的时延值分别为τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀、τ₅₀、τ₆₀。声源S在直角坐标系下的坐标为(x，y，z)，在球坐标系下的坐标为

声源S与M0的距离为r，S在X0Y平面上的投影点为S'，俯仰角S0S'为θ，水平角S'0X为

目标声源S产生的是以球面波形式传播的声波，传播速度为c。

进一步地，所述步骤S2中计算S₀的球坐标包括如下步骤：

1)推导声源S通过X0Y平面内的传声器阵列得到的球坐标S₀计算公式，具体为：

利用X0Y平面内M1、M2、M3、M4与M0构成的第一个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为S₀(x₀，y₀，r₀),球坐标为

根据声源几何定位原理，利用S与M0、M1、M2、M3、M4距离公式，推导出S₀(x₀，y₀，r₀):

其中，m₀＝τ₁₀+τ₂₀+τ₃₀+τ₄₀,n₀＝τ₁₀ ²+τ₂₀ ²+τ₃₀ ²+τ₄₀ ²；x₀，y₀和r₀的取值仅与时延值τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀，声速c和阵元间距a有关。

2)根据转换公式，得出

由上式可知，阵元间距a和声速c取值一定时，声源S到坐标原点距离r₀、俯仰角θ₀和水平角

取值仅与τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀有关。

进一步地，所述步骤S2中计算S₁的球坐标包括如下步骤：

3)利用X0Z平面内M1、M3、M5、M6与M0构成的第二个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为S₁(x₁，z₁，r₁),球坐标为

根据声源几何定位原理，利用声源S与M0、M1、M3、M5、M6距离公式，推导出S₁(x₁，z₁，r₁):

其中，m₁＝τ₁₀+τ₃₀+τ₅₀+τ₆₀,n₁＝τ₁₀ ²+τ₃₀ ²+τ₅₀ ²+τ₆₀ ²；x₁，z₁和r₁取值仅与时延值τ₁₀、τ₃₀、τ₅₀、τ₆₀，声速c和阵元间距a有关。

4)根据转换公式，得出

从上式可知，阵元间距a和声速c取值一定时，声源S到坐标原点距离r₁、俯仰角θ₁和水平角

取值仅与τ₁₀、τ₃₀、τ₅₀、τ₆₀有关。

进一步地，所述步骤S2中计算S₂的球坐标包括如下步骤：

5)利用Y0Z平面内M2、M4、M5、M6与M0构成的第三个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为：S₂(y₂，z₂，r₂),球坐标为

根据声源几何定位原理，利用声源S与M0、M2、M4、M5、M6距离公式，推导出S₂(y₂，z₂，r₂):

其中，m₂＝τ₂₀+τ₄₀+τ₅₀+τ₆₀,n₂＝τ₂₀ ²+τ₄₀ ²+τ₅₀ ²+τ₆₀ ²；y₂，z₂和r₂取值仅与时延值τ₂₀、τ₄₀、τ₅₀、τ₆₀，声速c和阵元间距a有关。

6)根据转换公式，得出

从上式可知，阵元间距a和声速c取值一定时，声源S到坐标原点距离r₂、俯仰角θ₂和水平角

取值仅与τ₂₀、τ₄₀、τ₅₀、τ₆₀有关。

进一步地，利用融合算法求得步骤S3中的声源坐标

为:

其中，k₁，k₂，k₃，k₄为复合加权系数，k₂＝sinθ₀，k₁＝1-k₂，k₄＝cosθ₂，k₃＝1-k₄，θ₀和

分别是S₀的球坐标参数中的俯仰角和水平角，θ₁和

分别是S₁的球坐标参数中的俯仰角和水平角，θ₂和

分别是S₂的球坐标参数中的俯仰角和水平角。

本发明首先建立三平面五元传声器阵列模型，根据声源几何定位原理，推导单一五元传声器阵列的声源方位计算公式，将平面阵列定位得出的两个俯仰角正弦值、余弦值作为复合加权系数，引入三平面五元传声器阵列的声源定位融合算法计算出最终声源球坐标。该融合算法定位精度较高，性能稳定，具有较好的声源定位效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、现有技术中，估计到达时延会产生误差，测距测向误差难以避免，特别当水平角和俯仰角处在零或九十度的极端角度附近时，误差会表现得更加明显，对声源定位精度和稳定性造成较大影响。本发明通过引入融合算法，可以解决该问题。

2、本发明的融合算法定位精度较高，性能稳定，具有较好的声源定位效果，在实际实验中，相比于单一传声器阵列，将融合算法引入到三平面五元传声器阵列中，可以更加稳定地测量出声源的方位数据，仿真结果表明：相比于单一阵列，该算法声源到阵元中心距离和水平角测量精度提高了1-2倍，俯仰角测量精度提高了1-3倍，具有较好的定位效果。

附图说明

图1为三平面五元传声器阵列模型示意图。

图2为声源俯仰角估计误差比较分析示意图。

图3为声源水平角估计误差受俯仰角影响比较分析示意图。

图4为声源水平角估计误差受自身角度变化影响比较分析示意图。

图5为当俯仰角为15°时，时延估计误差与俯仰角测量精度的关系对比图。

图6为当俯仰角为75°时，时延估计误差与俯仰角测量精度的关系对比图。

图7为当俯仰角为15°，水平角为45°时，时延估计误差与水平角测量精度的关系对比图。

图8为当俯仰角为75°，水平角为45°时，时延估计误差与水平角测量精度的关系对比图。

图9为时延估计误差与阵元间距的关系对比图。

图10为时延估计误差与声源到坐标原点距离的关系对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本发明提供一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，包括如下步骤：

1)建立三平面五元传声器阵列模型，如图1所示：

该阵列由7个传声器M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6组成，以X0Y平面内的4个传声器M1、M2、M3、M4与M0构成第一个单面五元传声器阵列；以X0Z平面内的4个传声器M1、M3、M5、M6与M0构成第二个单面五元传声器阵列；以Y0Z平面内的4个传声器M2、M4、M5、M6与M0构成第三个单面五元传声器阵列；三个五元传声器阵列都以M0为基准传声器，声源S传播到M1、M2、M3、M4、M5、M6与M0的时延值分别为τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀、τ₅₀、τ⁶⁰。传声器M0位于原点(0，0，0)处，设其余6个传声器与坐标原点之间的距离均为a，各个传声器坐标表示为:M1(a，0，0)、M2(0，a，0)、M3(-a，0，0)、M4(0，-a，0)、M5(0，0，a)、M6(0，0，-a)。声源S在直角坐标系下的坐标为(x，y，z)，在球坐标系下的坐标为

声源S与M0的距离为r，S在X0Y平面上的投影点为S'，俯仰角S0S'为θ，水平角S'0X为

目标声源S产生的是以球面波形式传播的声波，传播速度为c。

2)根据声源几何定位原理，推导单一五元传声器阵列的声源方位计算公式，其分别包括以下三个部分：

2.1)推导声源S通过X0Y平面内的传声器阵列得到的球坐标S₀计算公式，具体为：

利用X0Y平面内M1、M2、M3、M4与M0构成的第一个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为S₀(x₀，y₀，r₀),球坐标为

根据声源几何定位原理，利用S与M0、M1、M2、M3、M4距离公式，推导出S₀(x₀，y₀，r₀):

其中，m₀＝τ₁₀+τ₂₀+τ₃₀+τ₄₀,n₀＝τ₁₀ ²+τ₂₀ ²+τ₃₀ ²+τ₄₀ ²；x₀，y₀和r₀的取值仅与时延值τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀，声速c和阵元间距a有关。

根据图1，得出：

结合式(1)、(2)，得出

从式(3)得出，阵元间距a和声速c取值一定时，声源S到坐标原点距离r₀、俯仰角θ₀和水平角

取值仅与τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀有关。

2.2)推导声源S通过X0Y平面内的传声器阵列得到的球坐标S₁计算公式，具体为：

利用X0Z平面内M1、M3、M5、M6与M0构成的第二个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为S₁(x₁，z₁，r₁),球坐标为

根据声源几何定位原理，利用声源S与M0、M1、M3、M5、M6距离公式，推导出S₁(x₁，z₁，r₁):

其中，m₁＝τ₁₀+τ₃₀+τ₅₀+τ₆₀,n₁＝τ₁₀ ²+τ₃₀ ²+τ₅₀ ²+τ₆₀ ²；x₁，z₁和r₁取值仅与时延值τ₁₀、τ₃₀、τ₅₀、τ₆₀，声速c和阵元间距a有关。

结合式(2)、(4)，得出

从式(5)得到，阵元间距a和声速c取值一定时，声源S到坐标原点距离r₁、俯仰角θ₁和水平角

取值仅与τ₁₀、τ₃₀、τ₅₀、τ₆₀有关。

2.3)推导声源S通过X0Y平面内的传声器阵列得到的球坐标S₂计算公式，具体为：

利用Y0Z平面内M2、M4、M5、M6与M0构成的第三个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为：S₂(y₂，z₂，r₂),球坐标为

根据声源几何定位原理，利用声源S与M0、M2、M4、M5、M6距离公式，推导出S₂(y₂，z₂，r₂):

其中，m₂＝τ₂₀+τ₄₀+τ₅₀+τ₆₀,n₂＝τ₂₀ ²+τ₄₀ ²+τ₅₀ ²+τ₆₀ ²；y₂，z₂和r₂取值仅与时延值τ₂₀、τ₄₀、τ₅₀、τ₆₀，声速c和阵元间距a有关。

结合式(2)、(6)，得出

从式(7)得到，阵元间距a和声速c取值一定时，声源S到坐标原点距离r₂、俯仰角θ₂和水平角

取值仅与τ₂₀、τ₄₀、τ₅₀、τ₆₀有关。

3)根据X0Y平面俯仰角正弦值和Y0Z平面俯仰角余弦值设计复合加权系数，其具体为：

通过反复仿真试验，提出将X0Y平面俯仰角正弦值和Y0Z平面俯仰角余弦值作为复合加权系数，构造三平面五元传声器阵列声源定位融合算法，以减小测量误差产生，提高定位精度和稳定性。设加权系数为k₁，k₂，k₃，k₄，其中，k₂＝sinθ₀，k₁＝1-k₂，k₄＝cosθ₂，k₃＝1-k₄。

4)引入三平面五元传声器阵列声源定位融合算法得出声源坐标，其具体为：

利用加权系数为k₁，k₂，k₃，k₄，引入三平面五元传声器阵列声源定位融合算法求取声源坐标

为:

式(8)不仅可以减少由于相关参数如时延估计、声速c、每个传声器与基准传声器M0之间的距离等误差引起的声源方位测量误差，而且可以有效减小空间声源处于极端角度时，对声源定位精度和稳定性的影响。

根据上述实施例方法，以下对基于三平面五元传声器阵列声源定位融合算法从多个方面进行性能分析：

声源定位性能与时延估计误差、声速c、阵元间距a、声源到坐标原点距离r、俯仰角以及水平角都有关；当声速和阵元间距一定时，时延估计精度对定位性能起关键作用。

分析五种情况：时延估计误差一定时，声源俯仰角对自身估计精度的影响；时延估计误差一定时，声源俯仰角对水平角估计精度的影响；时延估计误差一定时，声源水平角对自身估计精度的影响；声源俯仰角一定时，时延估计误差对俯仰角估计精度的影响；声源俯仰角和水平角一定时，时延估计误差对水平角估计精度的影响。设时延估计标准偏差为

i＝1,2,3,4,5,6，均等于σ_τ。

1、三平面五元传声器阵列声源定位融合算法测距测向性能分析

根据间接测量产生误差理论，利用X0Y、X0Z和Y0Z平面内声源S球坐标计算公式，由时延τ误差引起r_i，θ_i，

i＝0,1,2，的测量误差为：

将式(9)-(11)代入式(8)，得到声源

由式(12)可知，距离r的测量精度仅与声速、阵元间距、时延估计精度、俯仰角和其自身有关，与水平角无关；俯仰角自身取值限制导致其对测距精度影响不大；声源俯仰角估计精度受时延估计误差、阵元间距、声速和自身影响，不受水平角影响；水平角估计精度与时延估计误差、阵元间距、声速、俯仰角等均有关。适当增大阵元间距，减小时延估计误差，均可提高测距测向精度。

2、三平面五元传声器阵列声源定位融合算法测向性能分析

对三平面五元传声器阵列融合算法测向性能，特别当声源处于极端角度时，进行分析。

2.1、声源俯仰角估计精度分析

对X0Y、X0Z、Y0Z和三平面阵列俯仰角估计精度进行仿真、比较和分析。取阵元间距a＝1m，声速c＝340m/s，σ_τ＝1μs，任意平面俯仰角变化范围均在0-90°，结果如图2所示。从图2可以看出，俯仰角估计误差受自身影响较大，其中：X0Y平面误差随俯仰角增大而减小；X0Z和Y0Z平面测得误差均随着俯仰角的增大而增大；三平面融合算法测得误差几乎不受自身影响，误差低于0.001°。

综上所述，融合算法在俯仰角估计精度上比单面传声器阵列有优势，稳定性明显比X0Y、X0Z和Y0Z平面好。

2.2声源水平角估计精度分析

对X0Y、X0Z、Y0Z和三平面阵列水平角估计精度进行仿真、比较和分析。取阵元间距a＝1m，声速c＝340m/s，σ_τ＝1μs，水平角45°，任意平面俯仰角变化范围均在0-90°，结果如图3所示。从图3可以看出，当俯仰角处在0到80°之间时，水平角估计误差变化较小；当俯仰角位于80到90°极端时，Y0Z平面测得误差随俯仰角增大而骤升，增加最明显；X0Z平面测得误差随俯仰角和水平角增大而骤升，误差达到0.1°，仅次于Y0Z平面；X0Y和三平面测得误差增加较小，误差均小于0.05°，几乎不受俯仰角影响。

综上所述，在俯仰角较大时，三平面融合算法在水平角估计精度上略逊于X0Y平面；当俯仰角处于极端时，融合算法精度优于X0Z和Y0Z平面。

取阵元间距a＝1m，声速c＝340m/s，σ_τ＝1μs，俯仰角75°，任意平面水平角变化范围均在0-90°，结果如图4所示。

从图4可以看出，X0Y平面测得水平角估计误差不随自身变化而变化；X0Z平面测得误差随自身增大而减小；Y0Z平面测得误差随自身增大而增大；三平面测得误差几乎不随水平角变化而变化，误差低于0.001°。

综上所述，三平面融合算法在俯仰角估计精度上比单面阵列有优势，稳定性明显比X0Y、X0Z和Y0Z平面好。

3、时延估计误差对三平面五元传声器阵列声源定位性能的影响

时延是指声源由于传播距离不同，而引起到达麦克风阵列中不同麦克风阵元而产生的时间差。时延估计误差是指利用采集到的相干信号之间，某些与时间差有关的参数，经过某种特定的计算方法，得出相干信号到达采集阵元时间延迟，这一过程产生的误差。

3.1时延估计误差与测向精度的关系

研究时延估计误差对声源定位性能的影响，通过仿真得到时延估计误差与测向精度关系，取时延估计误差在1-100μs间，阵元间距a为1m，声速c为340m/s。

当俯仰角为15°时，时延估计误差与俯仰角测量精度关系如图5所示；当俯仰角为75°时，两者关系如图6所示。

从图5得出：随着时延估计误差增加，X0Y平面测得俯仰角估计误差增加最大；X0Z和Y0Z测得误差增加最小；三平面与Y0Z测得误差接近，增加较小，在时延估计误差为100μs时，误差仅为0.025°。

从图6可以看出：随着时延估计误差增加，X0Z和Y0Z平面测得俯仰角估计误差增加最大；X0Y测得误差增加最小；三平面测得误差增加较小，在时延估计误差为100μs时，误差仅为0.044°。

综合图5、图6，可以看出：单面和三平面测得俯仰角估计误差均随时延误差增大而增大，但相对而言，三平面融合算法测得俯仰角精度较高，性能稳定，其不随时延估计误差变化而剧烈变化。

当水平角为45°，俯仰角为15°时，时延估计误差与水平角测量精度关系如图7所示；当水平角为45°，俯仰角为75°时，两者关系如图8所示。

从图7看出：随着时延估计误差增加，X0Z平面测得水平角估计误差增加最大；三平面测得误差与Y0Z平面接近，误差增加较大，在时延估计误差为100μs时，误差为0.035°；而X0Y平面测得误差增加最小。

从图8看出：随着时延估计误差增加，Y0Z平面测得水平角估计误差增加最大；X0Z平面测得误差增加也较大；而X0Y平面测得误差增加最小；三平面测得误差介于X0Y与X0Z之间，在时延估计误差为100μs时，误差约为0.17°。

从图7、图8看出：单面和三平面融合算法测得水平角估计误差均随时延误差增大而增大，但相对而言，三平面融合算法测得水平角精度较高，性能稳定，其不随时延估计误差变化而剧烈变化。

3.2时延估计误差与阵元间距的关系

研究时延估计误差与阵元间距关系：当俯仰角分别为15°和75°，相对测距误差分别为0.05和0.1m，声源到坐标原点距离为100m时，两者关系如图9所示。

从图9看出，阵元间距一定时，相对测距误差比俯仰角对时延估计误差影响大；当相对测距误差和俯仰角均较大时，增大阵元间距给时延估计误差带来指数性增加，特别是阵元间距大于6米后，误差增加更明显，实际声源定位，间距不宜过大。

3.3时延估计误差与测距精度关系

研究时延估计误差与声源到坐标原点距离的关系：当俯仰角分别为15°和75°，相对测距误差分别为0.05和0.1m，阵元间距为1m时，两者关系如图10所示。

从图10可以看出，在声源到坐标原点距离较小时关系曲线变化剧烈，特别当距离非常小时，估计误差趋于正无穷。这表明，不宜对离阵元中心太近的声源进行定位，当距离达到10m之外时，定位效果更佳。

在实际测量实验中，利用传声器构建单面和三平面五元传声器阵列声源数据采集系统，在Keil4软件平台编写程序，利用Flymcu接收串口的发送数据，测量出六组相对时延值，引入融合算法，利用时延值计算出声源球坐标，与单面阵列测得数据进行比较分析。测试地点选于南京市浦口区南京信息工程大学实验室内，利用蓝牙音响模拟声源产生。在已事先测量好坐标的位置:(2m,45°,60°),(3m,15°,45°),(4m,75°,30°)，进行实测实验，对应调整阵元间距为0.5m，0.75m，1m，结果如表1-3所示。

表1实际测量结果一

表2实际测量结果二

表3实际测量结果三

表4基于三平面的实验数据误差率

由表1到4可知，在室内实验环境噪声和回响较小情况下，三平面融合算法比单面阵列测得声源数据精度高，相比于理论数据，虽有所偏差，但仍在可控范围内，所得数据较为稳定可靠。

根据表1，融合算法测距误差为0.0840m，而单面声阵测得误差为0.1298m，测距精度提高1.5452倍；融合算法测得俯仰角误差为0.4683°，而单面声阵测得误差为0.8945°，俯仰角测量精度提高1.9101倍；融合算法测得水平角误差为2.1921°，而单面声阵测得误差为3.2518°，水平角测量精度提高1.4834倍。

根据表2，融合算法测距误差为0.0729m，而单面声阵测得误差为0.1045m，测距精度提高1.4335倍；融合算法测得俯仰角误差为0.3943°，而单面声阵测得误差为0.7518°，俯仰角测量精度提高1.9067倍；融合算法测得水平角误差为0.9974°，而单面声阵测得误差为1.0625°，水平角测量精度提高1.0653倍。

根据表3，融合算法测距误差为0.0430m，而单面声阵测得误差为0.0896m，测距精度提高2.0837倍；融合算法测得俯仰角误差为0.1745°，而单面声阵测得误差为0.4740°，俯仰角测量精度提高2.7163倍；融合算法测得水平角误差为0.6579°，而单面声阵测得误差为1.4654°，水平角测量精度提高2.2274倍。

根据表4，声源到传声器阵列中心距离的误差率约为3％，俯仰角误差率约为1.5％，水平角误差率约为2.5％。由于实验场地的限制，阵元的最大间距为1m。通过4.3.2节的分析，当间距增加到2m左右时，声源定位误差会降低，这更能体现该融合算法的优点。

综上所述，三平面五元传声器阵列的声源定位融合算法具有较高的精度，较好的稳定性，整体性能良好。与单一平面阵列相比，在适当增加阵元间距后，可以更精确而稳定地测得声源位置。

根据上述实验结果，得到如下结论：

本实施例利用七个传声器构造了三平面五元传声器阵列模型，利用相对时延值对声源所在位置进行象限判断，提出声源空间位置象限判断准则；然后根据声源几何定位原理，推导出单面五元传声器阵列声源球坐标计算公式，分别将两单面阵列测得俯仰角正弦、余弦值作为复合加权系数引入声源球坐标，提出三平面五元传声器阵列的声源定位融合算法；利用时延估计误差，俯仰角，水平角等参数与声源定位性能关系，对单面和三平面阵列定位精度和稳定性进行比较分析。

三平面五元传声器阵列单元使用90°作为各传声器间的组合角，有效降低单位空间阵元分布密集程度，减少传声器之间的耦合性，降低实际测量因阵列摆放不同对声源定位精度影响。适当增大阵元间距到1-3m之间，三平面融合算法能测量出更加精确稳定的数据。

理论分析和实际实验证明，三平面五元传声器阵列具有全空间声源定位能力，有效解决单面声阵易出现测量方位模糊问题。融合算法不仅减小了声源方位角变化对测距测向精度影响，而且减小了时延估计误差对定位性能影响，充分体现出融合算法优势。

Claims (4)

1.一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：建立包含X0Y、X0Z、Y0Z三个平面的五元立体传声器阵列模型；

S2：分别计算声源S通过X0Y、X0Z和Y0Z三个平面内的传声器阵列得到的球坐标S₀、S₁和S₂；

S3：基于S₀、S₁和S₂，利用融合算法计算得到声源S的球坐标；

其中，步骤S1中的三平面五元传声器阵列模型包括7个传声器，分别是M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6，其中，M0位于原点(0,0,0)处，以M0为基准传声器，其余6个传声器坐标分别为:M1(a，0，0)、M2(0，a，0)、M3(-a，0，0)、M4(0，-a，0)、M5(0，0，a)、M6(0，0，-a)，a为上述六个传声器与坐标原点之间的距离；

X0Y平面内的4个传声器M1、M2、M3、M4与M0为第一个单面五元传声器阵列；

X0Z平面内的4个传声器M1、M3、M5、M6与M0为第二个单面五元传声器阵列；

Y0Z平面内的4个传声器M2、M4、M5、M6与M0为第三个单面五元传声器阵列；

其中，步骤S3中的声源坐标

为:

k₁，k₂，k₃，k₄为复合加权系数，k₂＝sinθ₀，k₁＝1-k₂，k₄＝cosθ₂，k₃＝1-k₄，θ₀和

分别是S₀的球坐标参数中的俯仰角和水平角，θ₁和

分别是S₁的球坐标参数中的俯仰角和水平角，θ₂和

分别是S₂的球坐标参数中的俯仰角和水平角，r₀为声源S₀到坐标原点的距离，r₁为声源S₁到坐标原点的距离，r₂为声源S₂到坐标原点的距离。

2.根据权利要求1所述的一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，其特征在于所述步骤S2中计算S₀的球坐标包括如下步骤：

S31：利用X0Y平面内M1、M2、M3、M4与M0构成的第一个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为S₀(x₀，y₀，r₀),球坐标为

利用S与M0、M1、M2、M3、M4距离公式，推导出S₀(x₀，y₀，r₀):

其中，τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀、τ₄₀为声源S传播到M1、M2、M3、M4与M0的时延值，c为声源S产生的声波的传播速度，m₀＝τ₁₀+τ₂₀+τ₃₀+τ₄₀,n₀＝τ₁₀ ²+τ₂₀ ²+τ₃₀ ²+τ₄₀ ²；

S32：根据转换公式得出

3.根据权利要求1所述的一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，其特征在于所述步骤S2中计算S₁的球坐标包括如下步骤：

S41:利用X0Z平面内M1、M3、M5、M6与M0构成的第二个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为S₁(x₁，z₁，r₁),球坐标为S₁(r₁，θ₁，φ₁)，利用声源S与M0、M1、M3、M5、M6距离公式，推导出S₁(x₁，z₁，r₁):

其中，τ₁₀、τ₃₀、τ₅₀、τ₆₀为声源S传播到M1、M3、M5、M6与M0的时延值，c为声源S产生的声波的传播速度，m₁＝τ₁₀+τ₃₀+τ₅₀+τ₆₀,n₁＝τ₁₀ ²+τ₃₀ ²+τ₅₀ ²+τ₆₀ ²；

S42：根据转换公式得出

4.据权利要求1所述的一种三平面五元传声器阵列的声源定位方法，其特征在于所述步骤S2中计算S₂的球坐标包括以下步骤：

S51：利用Y0Z平面内M2、M4、M5、M6与M0构成的第三个单面五元传声器阵列，设声源直角坐标参数为：S₂(y₂，z₂，r₂),球坐标为

利用声源S与M0、M2、M4、M5、M6距离公式，推导出S₂(y₂，z₂，r₂):

其中，τ₂₀、τ₄₀、τ₅₀、τ₆₀为声源S传播到M2、M4、M5、M6与M0的时延值，c为声源S产生的声波的传播速度，m₂＝τ₂₀+τ₄₀+τ₅₀+τ₆₀,n₂＝τ₂₀ ²+τ₄₀ ²+τ₅₀ ²+τ₆₀ ²；

S52：根据转换公式得出

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