CN110068796A - 一种用于声源定位的麦克风阵列方法 - Google Patents

Abstract

一种用于声源定位的麦克风阵列方法，包括：设定七元立体麦克风阵列中的七个麦克风空间分布的位置：s₀(0,0,0)，s₁(d,0,d)，s₂(‑d,0,d)，s₃(0,d,‑d)，s₄(0,‑d,‑d)，s₅(0,0,d)，s₆(0,0,‑d)，其中，s₀为原点处的麦克风，s₁～s₆是分布在原点以外的其他位置处的6个麦克风，d为s₁～s₆距坐标轴的距离；根据七个麦克风空间分布的位置建立麦克风阵列的数学模型；求解数学模型，确定声源位置。本发明保持阵列尺寸和麦克风数量不变，在不牺牲俯仰角与方向角定位性能的基础上，能够有效提升测距性能。阵型在俯仰角、方向角定位上具有比较好的效果。有效的提高了距离定位精度，同时又保持了空间交叉立体阵在俯仰角、方向角定位精度高的优点。

Description

一种用于声源定位的麦克风阵列方法

技术领域

本发明涉及一种麦克风阵列。特别是涉及一种用于声源定位的麦克风阵列方法。

背景技术

在基于TDOA的声源定位算法中，定位的精度主要受到麦克风阵列排布方式、麦克风数量等因素影响。在过去的研究中，常见的应用于声源定位的麦克风阵列方法阵型主要有：平面阵中的平面四元阵、平面五元阵，和非平面阵中的立体五元阵、六元正四菱锥阵、以及七元空间交叉阵等。立体五元阵、六元正四菱锥阵、以及七元空间交叉阵模型只有与平面四元阵或平面五元阵的对比数值仿真，无法综合考量几种模型定位性能的准确性和鲁棒性。并且，其定位精度受环境影响比较大，定位性能有待提高。一方面，麦克风数量越多，定位精度就越高，系统性能越好，但是如果麦克风数量过多，在一定程度上会增大阵列的体积，增加系统的实现难度，同时使定位算法复杂，继而导致较高的运算复杂度，影响定位实时性。另一方面，在麦克风数量相同的情况下阵列的排布方式对于系统性能也有一定影响。综上，对于麦克风阵列的选择必须综合考虑阵列中麦克风数量、排布方式和系统性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效提高距离定位精度的用于声源定位的麦克风阵列方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于声源定位的麦克风阵列方法，包括如下步骤：

1)设定七元立体麦克风阵列中的七个麦克风空间分布的位置：

s₀(0,0,0)，s₁(d,0,d)，s₂(-d,0,d)，s₃(0,d,-d)，s₄(0,-d,-d)，s₅(0,0,d)，s₆(0,0,-d)

其中，s₀为原点处的麦克风，s₁～s₆是分布在原点以外的其他位置处的6个麦克风，d为s₁～s₆距坐标轴的距离；

2)根据七个麦克风空间分布的位置建立麦克风阵列的数学模型：

其中，τ_i为声源到达麦克风s_i与s₀的时间差，c为空间中声速，x、y和z为声源在空间中的分布位置；

3)求解数学模型，确定声源位置。

步骤3)包括：

(1)用极坐标系代替笛卡尔坐标表示声源位置：

其中，φ为声源的方向角，θ为声源的俯仰角，r为声源妻坐标原点的距离；

(2)将用极坐标系表示的声源位置代入步骤2)的数学模型：

将：

代入到：

得到：

考虑到r＞＞cτ_i得到声源位置：

本发明的一种用于声源定位的麦克风阵列方法，保持阵列尺寸和麦克风数量不变，在不牺牲俯仰角与方向角定位性能的基础上，能够有效提升测距性能。本发明的麦克风阵列阵型在俯仰角、方向角定位上具有比较好的效果。且在维持麦克风数量和阵列尺寸的前提下，有效的提高了距离定位精度，同时又保持了空间交叉立体阵在俯仰角、方向角定位精度高的优点，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1是七元立体麦克风阵列空间分布示意图；

图2是平面四元阵方向角定位误差仿真图；

图3是立体五元阵方向角定位误差仿真图；

图4是平面五元阵方向角定位误差仿真图；

图5是平面四元阵俯仰角定位误差仿真图；

图6是平面五元阵俯仰角定位误差仿真图；

图7是立体五元阵俯仰角定位误差仿真图；

图8是六元正四菱锥阵俯仰角定位误差仿真图；

图9是七元空间交叉阵俯仰角定位误差仿真图；

图10是相对距离误差仿真图；

图11是相对距离误差仿真图；

图12是平面五元阵测距数值仿真图；

图13是七元空间交叉阵测距数值仿真图；

图14是七元立体阵测距数值仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种用于声源定位的麦克风阵列方法做出详细说明。

本发明的一种用于声源定位的麦克风阵列方法，包括如下步骤：

1)设定七元立体麦克风阵列中的七个麦克风空间分布的位置，如图1所示：

s₀(0,0,0)，s₁(d,0,d)，s₂(-d,0,d)，s₃(0,d,-d)，s₄(0,-d,-d)，s₅(0,0,d)，s₆(0,0,-d)

其中，s₀为原点处的麦克风，s₁～s₆是分布在原点以外的其他位置处的6个麦克风，d为s₁～s₆距坐标轴的距离；

2)根据七个麦克风空间分布的位置建立麦克风阵列的数学模型：

其中，τ_i为声源到达麦克风s_i与s₀的时间差，c为空间中声速，x、y和z为声源在空间中的分布位置；

3)求解数学模型，确定声源位置，包括：

(1)用极坐标系代替笛卡尔坐标表示声源位置：

其中，φ为声源的方向角，θ为声源的俯仰角，r为声源妻坐标原点的距离；

(2)将用极坐标系表示的声源位置代入步骤2)的数学模型：

将：

代入到：

得到：

考虑到r＞＞cτ_i得到声源位置：

下面本发明的一种用于声源定位的麦克风阵列方法进行验证。

设定仿真实验中，时延精度误差为σ_τ＝±50μs。

1、方向角测量误差数值仿真

平面五元阵模型、六元正四菱锥阵模型、七元空间交叉阵模型的方向角φ计算公式相同，又空间交叉立体阵与七元空间立体阵的方向角测量标准差相同，因此只需要对比平面四元阵、立体五元阵、平面五元阵这三种模型，即可对比六种模型的方向角定位性能。得到如图2、图3、图4所示，俯仰角—方向角—方向角测量误差三维仿真图(这里方向角测量误差我们定义为：|φ_测量值-φ_真实值|)。

图中方向角测量误差越小表明在某一位置方向角定位准确性越好；方向角测量误差随俯仰角或方向角变化越平稳，说明方向角定位鲁棒性越高；由图2、3可以看出，对于立体五元阵模型和四元十字阵模型，其大部分情况下方向角测量误差较小，但当方向角接近90°时(即目标声源接近坐标y轴时)方向角测量误差急剧增大，即方向角定位性能受方向角大小影响严重，方向角定位鲁棒性低。由图4可以看出平面五元阵模型，方向角测量误差整体较小且平稳，说明该模型方向角定位性能好且定位鲁棒性高。综上，可以认为坐标原点处放置麦克风可以有效减小方向角测量误差随方向角变化而波动，即可以提高方向角定位性能的鲁棒性。

2、俯仰角测量误差数值仿真

七元空间交叉阵与七元立体麦克风阵的俯仰角测量误差相同，因此这里只对比平面四元阵、立体五元阵、平面五元阵、六元正四菱锥阵、七元空间交叉阵这五种模型的的方向角定位性能。分别对五种模型的俯仰角测量误差进行数值仿真得到图5、图6、图7、图8、图9，俯仰角—方向角—俯仰角测量误差三维仿真图(这里俯仰角角测量误差我们定义为：|θ_测量值-θ_真实值|)。

图中俯仰角误差越小表明在某一位置俯仰角定位准确性越好；俯仰角误差随俯仰角或方向角变化越平稳，说明俯仰角定位鲁棒性越高；由图5、6可以看出平面四元模型与平面五元阵模型在俯仰角度较高时(即目标声源高度较低时)，俯仰角测量误差比较大，即俯仰角定位性能受俯仰角影响较大，鲁棒性低。由图7可以看出立体五元阵模型在方向角接近0°、90°、180°(即目标声源接近x轴或y轴)时俯仰角测量误差比较大，即该模型俯仰角定位精度受方向角影响较大。由图8可以看出，六元正四棱锥阵模型在俯仰角度较低时(即目标声源高度较高时)，俯仰角测量误差比较大，即俯仰角定位性能受俯仰角影响较大。由图9可以看出，七元空间交叉阵模型俯仰角测量误差整体较小，且基本不随俯仰角和方向角变化而产生较大波动，该模型俯仰角定位准确性好且鲁棒性高。这表明，轴上下对称的两个麦克风对提升俯仰角定位精度效果显著。

3、相对测距误差数值仿真

在测距性能分析中，固定方向角为φ＝60°，俯仰角为θ＝30°，由于平面五元阵、六元正四菱锥阵的距离求解公式相同，因此只需要对比较平面四元阵、平面五元阵，立体五元阵、七元空间交叉阵、空间七元立体麦克风阵这五种模型的测距性能，得到仿真结果如图10、图11所示。(其中相对测距误差我们定义为：)。

根据仿真结果图10、11显示，平面五元模型、六元正四棱锥阵模型、七元空间交叉阵、七元立体阵等四种模型相对距离定位精度远高于其他两种阵列模型，而平面四元阵模型、立体五元阵模型相对距离定位精度很低且鲁棒性差。这表明，在一定时间差误差下，坐标原点处放置麦克风可以有效减小距离定位误差。其中，空间七元立体麦克风阵的相对距离定位误差最小。下面，通过图12、13、14观察这三种阵型相对距离定位误差与俯仰角、方向角的关系(其中距离取r＝80m，测距误差我们定义为：|r_测量值-r_真实值|)。

根据由图12、13可以看出，平面五元阵相对距离误差最大，且随俯仰角变化距离相对标准差波动也最明显，即测距性能最差。根据图14可以看出，虽然七元空间交叉阵距离定位相对误差整体比较平稳，受俯仰角和方向角影响较小，但其距离相对标准差基本维持在0.2-0.3之间。而根据图13可以看出，七元立体麦克风阵距离相对标准差虽然受俯仰角影响而产生波动，但其基本维持在0.2以下，即使在低俯仰角，高方向角的极端情况下，其距离相对标准差也没有超过0.2。综上：七元空间立体麦克风阵的测距性能要优于七元空间交叉阵，且远优于其他阵列模型的测距效果效果。

Claims (2)

1.一种用于声源定位的麦克风阵列方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设定七元立体麦克风阵列中的七个麦克风空间分布的位置：

s₀(0,0,0)，s₁(d,0,d)，s₂(-d,0,d)，s₃(0,d,-d)，s₄(0,-d,-d)，s₅(0,0,d)，s₆(0,0,-d)

其中，s₀为原点处的麦克风，s₁～s₆是分布在原点以外的其他位置处的6个麦克风，d为s₁～s₆距坐标轴的距离；

2)根据七个麦克风空间分布的位置建立麦克风阵列的数学模型：

其中，τ_i为声源到达麦克风s_i与s₀的时间差，c为空间中声速，x、y和z为声源在空间中的分布位置；

3)求解数学模型，确定声源位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于声源定位的麦克风阵列方法，其特征在于，步骤3)包括：

(1)用极坐标系代替笛卡尔坐标表示声源位置：

其中，φ为声源的方向角，θ为声源的俯仰角，r为声源妻坐标原点的距离；

(2)将用极坐标系表示的声源位置代入步骤2)的数学模型：

将：

代入到：

得到：

考虑到r＞＞cτ_i得到声源位置：