CN110095755A - 一种声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声源定位方法，该声源定位方法是通过布置具有特定形状分布的麦克风阵列，其中该麦克风阵列包括相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合，接着基于该第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合，分别获取关于待定位目标物的第一位置信息和第二位置信息，最后再根据该第一位置信息和第二位置信息计算出关于该待定位目标物的360°全平面定位信息。

Description

一种声源定位方法

技术领域

本发明涉及目标物定位的技术领域，特别涉及一种声源定位方法。

背景技术

声源定位是指通过采集目标物发出的声音信号，并对该声音信号进行特定的算法运算，从而确定该目标物相对于声音采集装置的位置。为了提高声音采集装置采集声音信号的准确性，该声音采集装置通常是通过一麦克风阵列来收集该目标物的声音信号，而该麦克风阵列包括若干个单麦克风按照特定的排列分布而组成的阵列，由于目标物发出的声音信号是以该目标物为球心并向外发散传播的球面声波，若声音采集装置只通过单个麦克风来采集声音信号，这会导致采集到的声音信号发生缺失和不完整的情况，而通过麦克风阵列来采集声音信号，则能够最大限度地获得该声音信号的完整信息，并且由于目标物与声音采集装置之间存在相对间距，采用麦克风阵列还能够进一步获得该声音信号关于麦克风阵列中不同麦克风之间的信号差异，而该信号差异能够进一步提高该目标物的位置计算准确性，这是采用单个麦克风采集声音信号所不能达到的效果。

此外，目前基于麦克风阵列采集的声音信号而进行的声源定位算法主要包括基于时延估计的定位算法，即TDE，基于高分辨率谱估计的定位算法，基于稀疏表示的定位算法；其中，基于时延估计的定位算法的计算核心在于对声波传播时延的准确估计，其一般是通过对麦克风阵列中不同麦克风之间采集到的声音信号进行互相关处理后而得到；为了进一步获得声源的位置信息，还可对该互相关处理得到的结果进行简单的延时求和、几何计算或者可控功率响应搜索等算法计算，而上述的算法较容易实现，其运算量小以及便于实时处理，因此在实际计算中被广泛应用。

虽然，现有技术已经存在基于麦克风阵列和相应算法相结合以对目标物进行360度的全方位定位手段，但是当目标物具有窄边框平板形状时，现有的声源定位手段很难获得较为准确的定位结果，这是因为在此情况下麦克风阵列很难区分目标物的前后方向，这对于需要通过声源定位的方法来准确计算具有窄边框平板形状的目标物带来极大的难度。

发明内容

在基于麦克风阵列的声源定位方法中，现有的麦克风阵列，比如线性麦克风阵列或者差分麦克风阵列，都无法在目标物具有窄边框平板形状的情况下准确地区分目标物的前方和后方，由于现有的大多数智能语音交互设备，例如手机、平板电脑或者平板电视等都具有该窄边框平板形状，这将严重地限制声源定位方法应用于这类型的智能语音交互设备中，若在此类智能语音交互设备中使用传统的声源定位方法进行定位，其得到的定位结果都会达不到基本的精度要求。另外，现有的线性麦克风阵列或者差分麦克风阵列的布置方式都不能高效地获取具有窄边框平板形状的目标物的声音相关信号，这类声音相关信号，比如声音强度差异或者声音沿不同方位角的变化趋势等，对于后续的定位算法处理具有重要的计算意义，可见现有的麦克风阵列布置方式并不能有效地提高声源定位方法的定位精度。

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种声源定位方法，该声源定位方法是通过布置具有特定形状分布的麦克风阵列，其中该麦克风阵列包括相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合，接着基于该第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合，分别获取关于待定位目标物的第一位置信息和第二位置信息，最后再根据该第一位置信息和第二位置信息计算出关于该待定位目标物的360°全平面定位信息。实际上，该第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合将该待定位目标物所处的全平面空间划分为两个半平面空间，然后依次在该两个半平面空间内获取该待定位目标物的空间位置信息，并根据这两个半平面空间内对应的空间位置信息综合计算出该待定位目标物的全平面位置信息，这样能够克服传统声源定位方法无法区分具有窄边框平板形状物体前后方向的缺陷，从而有效地提高对具有窄边框平板形状的目标物的声源定位精度。

本发明提供一种声源定位方法，其特征在于，所述声源定位方法包括如下步骤：

步骤(1)，布置由若干麦克风组成的呈T型分布的麦克风阵列，所述T型分布的麦克风阵列包括相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合；

步骤(2)，基于所述第一线型分布麦克风集合采集的语音信号，计算出关于目标物的第一位置信息；

步骤(3)，基于所述第二线型分布麦克风集合采集的语音信号，计算出关于所述目标物的第二位置信息，并根据所述第一位置信息和所述第二位置信息确定关于所述目标物的360°全平面定位信息；

进一步，在步骤(1)中，布置所述呈T型分布的麦克风阵列具体包括，沿第一方向相隔预定间距设置若干麦克风以形成所述第一线型分布麦克风集合，沿与所述第一方向垂直的第二方向设置至少一个麦克风以形成所述第二线型分布麦克风集合；

进一步，在步骤(1)中，所述第二线型分布麦克风集合中的所有麦克风均位于所述第一线型分布麦克风集合的同一侧，所述第二方向穿过所述第一线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风；

进一步，在步骤(2)中，计算所述第一位置信息具体包括，先获取所述第一线型分布麦克风集合中每一麦克风的语音信号，再基于时延估计算法计算得到所述第一位置信息，其中，所述第一位置信息是以所述第二线型分布麦克风集合对应设置方向为基准的、关于所述目标物的0°-180°的半平面位置信息；

进一步，在步骤(2)中，基于所述时延估计算法计算得到所述第一位置信息具体包括，对所述第一线型分布麦克风集合中每一个麦克风对应的语音信号进行互相关处理，并对所述互相关处理得到的互相结果进行可控功率响应搜索处理，从而计算得到所述第一位置信息；

进一步，在步骤(2)中，基于所述时延估计算法计算得到所述第一位置信息具体包括，对所述第一线型分布麦克风集合中每一个麦克风对应的语音信号进行广义互相关函数处理，其中所述广义互相关函数还引入了关于不同麦克风之间互功率谱密度的加权函数，再根据关于所述广义互相关函数的广义互相关相位变换算法计算得到所述第一位置信息；

进一步，在步骤(3)中，计算所述第二位置信息具体包括，选取所述第一线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风与所述第二线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风组成一小间距麦克风差分阵列，再基于所述小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算出所述第二位置信息；

进一步，在步骤(3)中，基于所述小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算所述第二位置信息具体包括，将所述小间距麦克分差分阵列作为一固定波束形成器，同时获取所述固定波束形成器对应的一阶差分波束模式，并基于所述一阶差分波束模式计算出所述第二位置信息；

进一步，在步骤(3)中，基于所述小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算所述第二位置信息具体包括，以所述小间距麦克风差分阵列为固定波束形成器，同时设计出关于该固定波束形成器不同的第一波束权值和第二波束权值，并计算所述第一波束权值和所述第二波束权值对应的第一输出信号能量和第二输出信号能量，再根据所述第一输出信号能量和所述第二输出信号能量中较大的一者计算出所述第二位置信息；

进一步，计算所述第一输出信号能量具体包括，针对所述第一波束权值，以所述第一波束权值的期望方向为前方和以所述第一波束权值的零陷方向为后方，对所述小间距麦克风差分阵列的输入信号进行加权求和处理，从而得到所述第一输出信号能量；或者，计算所述第二输出信号能量具体包括，针对所述第二波束权值，以所述第二波束权值的期望方向为后方和以所述第二波束权值的零陷方向为前方，对所述小间距麦克风差分阵列的输入信号进行加权求和处理，从而得到所述第二输出信号能量；

相比于现有技术，本发明的声源定位方法通过相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合将该待定位目标物所处的全平面空间划分为两个半平面空间，然后依次在该两个半平面空间内获取该待定位目标物的空间位置信息，并根据这两个半平面空间内对应的空间位置信息综合计算出该待定位目标物的全平面位置信息，这样能够克服传统声源定位方法无法区分具有窄边框平板形状前后方向的缺陷，从而有效地提高对具有窄边框平板形状的目标物的声源定位精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种声源定位方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种声源定位方法中麦克风阵列的分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，为本发明实施例提供的一种声源定位方法的流程示意图。该声源定位方法是通过在待定位的目标物附近设置具有特定形状分布的麦克风阵列，该麦克风阵列能够将该待定位的目标物所处位置的附件空间区域划分为前方区域、后方区域、左侧区域和右侧区域这四个不同的空间区域部分，当该待定位的目标物具有窄边框平板形状时，上述四个不同空间区域部分的划分能够在不同半平面空间内依次对该待定位的目标物进行定位检测，这能够有效地克服现有的声源定位方法中无法区分辨别具有窄边框平板形状的目标物前后方向的不足。实际上，本发明的声源定位方法的定位检测基本构思为通过该麦克风阵列中的两个不同线型分布麦克风集合分别采集不同的语音信号，并基于该不同的语音信号分别计算出对应的不同位置信息，而该不同位置信息是关于该目标物的不同位置数据，这样根据该不同位置信息就能够确定关于该目标物的全平面定位信息。优选地，该麦克风阵列中的若干麦克风可相互形成T型的阵列分布形式。

具体而言，该声源定位方法可包括如下步骤：

步骤(1)，布置由若干麦克风组成的呈T型分布的麦克风阵列，该T型分布的麦克风阵列包括相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合。

优选地，在该步骤(1)中，布置该呈T型分布的麦克风阵列具体包括，沿第一方向相隔预定间距设置若干麦克风以形成该第一线型分布麦克风集合，沿与该第一方向垂直的第二方向设置至少一个麦克风以形成该第二线型分布麦克风集合。其中，该第一线型分布麦克风集合可包括至少三个麦克风，该第二线型分布麦克风集合可包括至少两个麦克风；进一步，该第一线型分布麦克风集合和该第二线型分布麦克风集合相互之间可存在公用的一个或者若干个麦克风。

优选地，在该步骤(1)中，该第二线型分布麦克风集合中的所有麦克风可均位于该第一线型分布麦克风集合的同一侧，该第二方向穿过该第一线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风。其中，该第一线型分布麦克风集合中的所有麦克风可以该第二线型分布麦克风集合所在的轴线为对称轴均匀地地分布在该第二线型分布麦克风集合的两侧。进一步，该第一线型分布麦克风集合或者第二线型分布麦克风集合中的所有相邻的两个麦克风之间的间距可相等，这样能够保证该第一线型分布麦克分集合或者第二线型分布麦克风集合中不同麦克风在声场分布中的接收性能是一致的。

步骤(2)，基于该第一线型分布麦克风集合采集的语音信号，计算出关于目标物的第一位置信息。

优选地，在该步骤(2)中，计算该第一位置信息可具体包括，先获取该第一线型分布麦克风集合中每一麦克风的语音信号，再基于时延估计算法计算得到该第一位置信息；其中，该第一位置信息是以该第二线型分布麦克风集合对应设置方向为基准的、关于该目标物的0°-180°的半平面位置信息。进一步，在计算该第一位置的过程中，控制该第一线型分布麦克风集合中的每一个麦克风对目标物实时产生的声音信号进行接收，再根据每一个麦克风接收的声音信号通过时延估计算法计算出该第一位置信息。

优选地，在该步骤(2)中，基于该时延估计算法计算得到所述第一位置信息可具体包括，对该第一线型分布麦克风集合中每一个麦克风对应的语音信号进行互相关处理，并对该互相关处理得到的互相结果进行可控功率响应搜索处理，从而计算得到该第一位置信息。

优选地，在该步骤(2)中，基于该时延估计算法计算得到该第一位置信息可具体包括，对该第一线型分布麦克风集合中每一个麦克风对应的语音信号进行广义互相关函数处理，其中该广义互相关函数还引入了关于不同麦克风之间互功率谱密度的加权函数，再根据关于该广义互相关函数的广义互相关相位变换算法计算得到该第一位置信息。

其中，该时延估计算法可为基于广义互相关函数的时延估计算法，并且该时延估计算法在实施过程中还引入了一个加权函数，该加权函数对声音信号的互功率谱密度进行调整，从而优选该时延估计算法的计算精度。优选地，根据该加权函数的不同类型，该时延估计算法对应的广义互相关函数可相应地具有多种不同的变形，该基于广义互相关函数的时延估计算法可具体为广义互相关-相位变换法(GCC-PHAT)，该广义互相关-相位变换法本身具有一定的抗噪声和抗混响能力，故采用该算法能够在一定程度上降低该第一线型分布麦克风集合中每一麦克风的语音信号存在的噪声和/或混响对该第一位置信息引起的干扰。简单来说，该基于广义互相关函数的时延估计算法是根据两个麦克风采集的声音信号之间的互相关函数峰值在进行时延值的估计，这是由于在同一声源定位系统中，麦克风阵列集合中每一个麦克风接收到的声音信号都是来自同一声源，这使得不同麦克风对应的通道信号之间存在较强的相关性，这样通过计算每两个麦克风对应的通道信号之间的相关函数，就能够确定对应的两个麦克风对应通道信号之间的时延值，最后再跟该时延值就能够计算出声源对应的位置信息。

步骤(3)，基于该第二线型分布麦克风集合采集的语音信号，计算出关于该目标物的第二位置信息，并根据该第一位置信息和所述第二位置信息确定关于该目标物的360°全平面定位信息。

优选地，在该步骤(3)中，计算该第二位置信息可具体包括，选取该第一线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风与该第二线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风组成一小间距麦克风差分阵列，再基于该小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算出该第二位置信息。

优选地，在该步骤(3)中，基于该小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算该第二位置信息可具体包括，将该小间距麦克分差分阵列作为一固定波束形成器，同时获取该固定波束形成器对应的一阶差分波束模式，并基于该一阶差分波束模式计算出该第二位置信息。

优选地，在该步骤(3)中，基于该小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算该第二位置信息可具体包括，以该小间距麦克风差分阵列为固定波束形成器，同时设计出关于该固定波束形成器不同的第一波束权值和第二波束权值，并计算该第一波束权值和该第二波束权值对应的第一输出信号能量和第二输出信号能量，再根据该第一输出信号能量和所述第二输出信号能量中较大的一者计算出该第二位置信息。

优选地，在该步骤(3)中，计算该第一输出信号能量可具体包括，针对该第一波束权值，以该第一波束权值的期望方向为前方和以所述第一波束权值的零陷方向为后方，对该小间距麦克风差分阵列的输入信号进行加权求和处理，从而得到该第一输出信号能量；或者，计算该第二输出信号能量可具体包括，针对该第二波束权值，以该第二波束权值的期望方向为后方和以该第二波束权值的零陷方向为前方，对所述小间距麦克风差分阵列的输入信号进行加权求和处理，从而得到该第二输出信号能量。

参阅图2，为本发明实施例提供的一种声源定位方法中麦克风阵列的分布示意图。其中，该图2只是示意性地展示出该麦克风阵列中若干麦克风的分布情况，当本发明的麦克风阵列的分布形式并不是只局限于该图2所示的情况，本发明的麦克风阵列的分布形式可具有其他不同的分布形式，这里并不再一一地进行列举。从该图2可见，该麦克风阵列包括由沿水平方向布置的三个麦克风M1、M2、M3共同组成的第一线型麦克风集合，以及由沿竖直方向布置的两个麦克风M2、M4共同组成的第二线型麦克风集合。优选地，在该麦克风M1、M2、M3中相邻的两个麦克风之间的间距均相等；优选地，该麦克风M1和M3以该麦克风M2和M4所在的直线为轴线对称地分布在该麦克风M2和M4的两侧。相应地，该图2所示的麦克风阵列的声源定位过程与前述介绍的声源定位方法的实时过程是相同的，这里就不再做进一步的累述。

从上述实施例可以看出，该声源定位方法是通过布置具有特定形状分布的麦克风阵列，其中该麦克风阵列包括相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合，接着基于该第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合，分别获取关于待定位目标物的第一位置信息和第二位置信息，最后再根据该第一位置信息和第二位置信息计算出关于该待定位目标物的360°全平面定位信息，这样能够克服传统声源定位方法无法区分具有窄边框平板形状前后方向的缺陷，从而有效地提高对具有窄边框平板形状的目标物的声源定位精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种声源定位方法，其特征在于，所述声源定位方法包括如下步骤：

步骤(1)，布置由若干麦克风组成的呈T型分布的麦克风阵列，所述T型分布的麦克风阵列包括相互垂直设置的第一线型分布麦克风集合和第二线型分布麦克风集合；

步骤(2)，基于所述第一线型分布麦克风集合采集的语音信号，计算出关于目标物的第一位置信息；

步骤(3)，基于所述第二线型分布麦克风集合采集的语音信号，计算出关于所述目标物的第二位置信息，并根据所述第一位置信息和所述第二位置信息确定关于所述目标物的360°全平面定位信息。

2.如权利要求1所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(1)中，布置所述呈T型分布的麦克风阵列具体包括，沿第一方向相隔预定间距设置若干麦克风以形成所述第一线型分布麦克风集合，沿与所述第一方向垂直的第二方向设置至少一个麦克风以形成所述第二线型分布麦克风集合。

3.如权利要求2所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述第二线型分布麦克风集合中的所有麦克风均位于所述第一线型分布麦克风集合的同一侧，所述第二方向穿过所述第一线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风。

4.如权利要求1所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(2)中，计算所述第一位置信息具体包括，先获取所述第一线型分布麦克风集合中每一麦克风的语音信号，再基于时延估计算法计算得到所述第一位置信息，其中，所述第一位置信息是以所述第二线型分布麦克风集合对应设置方向为基准的、关于所述目标物的0°-180°的半平面位置信息。

5.如权利要求4所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(2)中，基于所述时延估计算法计算得到所述第一位置信息具体包括，对所述第一线型分布麦克风集合中每一个麦克风对应的语音信号进行互相关处理，并对所述互相关处理得到的互相结果进行可控功率响应搜索处理，从而计算得到所述第一位置信息。

6.如权利要求4所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(2)中，基于所述时延估计算法计算得到所述第一位置信息具体包括，对所述第一线型分布麦克风集合中每一个麦克风对应的语音信号进行广义互相关函数处理，其中所述广义互相关函数还引入了关于不同麦克风之间互功率谱密度的加权函数，再根据关于所述广义互相关函数的广义互相关相位变换算法计算得到所述第一位置信息。

7.如权利要求1所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(3)中，计算所述第二位置信息具体包括，选取所述第一线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风与所述第二线型分布麦克风集合中的其中一个麦克风组成一小间距麦克风差分阵列，再基于所述小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算出所述第二位置信息。

8.如权利要求7所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(3)中，基于所述小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算所述第二位置信息具体包括，将所述小间距麦克分差分阵列作为一固定波束形成器，同时获取所述固定波束形成器对应的一阶差分波束模式，并基于所述一阶差分波束模式计算出所述第二位置信息。

9.如权利要求7所述的声源定位方法，其特征在于：在步骤(3)中，基于所述小间距麦克风差分阵列并结合相应的差分阵列算法计算所述第二位置信息具体包括，以所述小间距麦克风差分阵列为固定波束形成器，同时设计出关于该固定波束形成器不同的第一波束权值和第二波束权值，并计算所述第一波束权值和所述第二波束权值对应的第一输出信号能量和第二输出信号能量，再根据所述第一输出信号能量和所述第二输出信号能量中较大的一者计算出所述第二位置信息。

10.如权利要求9所述的声源定位方法，其特征在于：计算所述第一输出信号能量具体包括，针对所述第一波束权值，以所述第一波束权值的期望方向为前方和以所述第一波束权值的零陷方向为后方，对所述小间距麦克风差分阵列的输入信号进行加权求和处理，从而得到所述第一输出信号能量；或者，计算所述第二输出信号能量具体包括，针对所述第二波束权值，以所述第二波束权值的期望方向为后方和以所述第二波束权值的零陷方向为前方，对所述小间距麦克风差分阵列的输入信号进行加权求和处理，从而得到所述第二输出信号能量。