CN113484825B - 一种声源定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声源定位系统及方法，所述声源定位系统包括设置在不同位置的至少三个声音传感器、与至少三个所述声音传感器一一对应的至少三个信号转换模块、至少两个时间差测量模块以及数据处理模块；所述声音传感器用于从不同的位置采集声源的声音信号；所述信号转换模块用于将所述声音信号转换为数字信号；所述时间差测量模块用于测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差所述数据处理模块用于根据所述数字信号以及所述声音信号的时延差对所述声源进行定位。本发明提高了声源定位系统对环境的适应性，提高了定位速度和定位精度。

Description

一种声源定位系统及方法

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，具体涉及一种声源定位系统及方法。

背景技术

近年来，随着科技的发展，人工智能产品开始慢慢进入人们的日常生活当中，极大地改变了人们的生活方式，提高了人们的生活水平，目前关于人工智能方面的研究可谓是炙手可热，而其中声源定位技术成为了一个新的研究热点，具有广泛的市场以及应用前景。比如目前比较热门的智能话筒，通过检测演讲者的声音信息，确定演讲者所在方位，之后根据这一位置信息转向演讲者，达到智能话筒始终朝向演讲者这一效果。

但现有声源定位技术存在两个问题，一是由于现有声源定位系统的物理结构和模型结构较复杂，导致声源定位系统对环境的适应性较低、理论计算负担较大；二是由于现有技术中引入远场模型对声源进行定位，但远场模型所引入的误差补偿受实际测量环境影响较大，导致定位速度和定位精度降低。

因此，急需提出一种声源定位系统及方法，解决现有技术中存在的声源定位系统结构复杂以及测量速度和精度均较低的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种声源定位系统及方法，旨在解决现有技术中存在的声源定位系统结构复杂以及定位速度和定位精度均较低的技术问题。

本发明提供了一种声源定位系统，包括设置在不同位置的至少三个声音传感器、与至少三个所述声音传感器一一对应的至少三个信号转换模块、至少两个时间差测量模块以及数据处理模块；

所述声音传感器用于从不同的位置采集声源的声音信号；

所述信号转换模块用于将所述声音信号转换为数字信号；

所述时间差测量模块用于测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；

所述数据处理模块用于根据所述数字信号以及所述声音信号的时延差对所述声源进行定位。

在本发明一些可能的实现方式中，所述声源定位系统包括第一声音传感器、第二声音传感器以及第三声音传感器，对于一个二维坐标系，所述第二声音传感器设置在所述二维坐标系的原点，所述第一声音传感器设置在横轴的负半轴，所述第三声音传感器设置在横轴的正半轴，且所述第一声音传感器和所述第三声音传感器与所述第二声音传感器之间的距离相等。

在本发明一些可能的实现方式中，所述声源定位系统包括第一时间差测量模块和第二时间差测量模块；

所述第一时间差测量模块分别连接所述第一声音传感器和所述第三声音传感器，用于测量所述第一声音传感器和所述第三声音传感器采集的声音信号的第一时延差；

所述第二时间差测量模块分别连接所述第二声音传感器和所述第三声音传感器，用于测量所述第二声音传感器和所述第三声音传感器采集的声音信号的第二时延差。

在本发明一些可能的实现方式中，所述声源定位系统包括第一信号转换模块、第二信号转换模块以及第三信号转换模块；

所述第一信号转换模块连接于所述第一声音传感器，用于将所述第一声音传感器采集的声音信号转换为第一数字信号；

所述第二信号转换模块连接于所述第二声音传感器，用于将所述第二声音传感器采集的声音信号转换为第二数字信号；

所述第三信号转换模块连接于所述第三声音传感器，用于将所述第三声音传感器采集的声音信号转换为第三数字信号。

在本发明一些可能的实现方式中，所述数据处理模块包括象限确定单元、偏角确定单元、距离确定单元以及声源坐标确定单元；

所述象限确定单元分别连接于所述第一信号转换模块、第二信号转换模块以及第三信号转换模块，用于获取所述第一数字信号的第一电压值、所述第二数字信号的第二电压值和所述第三数字信号的电压值，并根据所述第一电压值、所述第二电压值和所述第三电压值确定所述声源在所述二维坐标系中的象限；

所述偏角确定单元连接于所述第一时间差测量模块，用于获取所述第一时延差，并根据所述第一时延差确定所述声源相对于所述横轴的偏角；

所述距离确定单元连接于所述第二时间差测量模块，用于获取所述第二时延差，并根据所述第二时延差确定所述声源与所述二维坐标系的原点之间的距离；

所述声源坐标单元用于根据所述象限、所述偏角以及所述声源与所述二维坐标系的原点之间的距离确定所述声源在所述二维坐标系中的坐标值。

在本发明一些可能的实现方式中，当所述声源位于所述二维坐标系的第二象限或第三象限时，所述声源的横坐标为：

式中，x₁为当所述声源位于所述二维坐标系的第二象限或第三象限时，所述声源的横坐标；d为所述第一声源传感器与所述第二声源传感器之间的距离；v为声速；Δt₂为所述第二时延差，α为所述偏角。

在本发明一些可能的实现方式中，当所述声源位于所述二维坐标系的第一象限或第四象限时，所述声源的横坐标为：

式中，x₂为当所述声源位于所述二维坐标系的第一象限或第四象限时，所述声源的横坐标；d为所述第一声源传感器与所述第二声源传感器之间的距离；v为声速；Δt₂为所述第二时延差，α为所述偏角。

在本发明一些可能的实现方式中，所述声源的纵坐标为：

y＝xtan(α)

式中，y为所述声源的纵坐标；x为所述声源的横坐标；Δt₁为所述第一时延差。

在本发明一些可能的实现方式中，所述声源定位系统还包括：与至少三个所述声音传感器一一对应的至少三个程控放大模块以及至少三个程控滤波模块；

所述程控放大模块用于放大所述声音信号；

所述程控滤波模块用于对放大后的所述声音信号进行滤波。

另一方面，本发明还提供了一种声源定位方法，包括：

通过设置在不同位置的至少三个声音传感器从不同的位置采集声源的声音信号；

通过信号转换模块将所述声音信号转换为数字信号；

通过时间差测量模块测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；

通过数据处理模块根据所述数字信号以及所述声音信号的时延差对所述声源进行定位。

本发明通过设置在不同位置的至少三个声音传感器从不同的位置采集声源的声音信号，并通过设置信号转换模块将声音信号转换为数字信号；设置时间差测量模块测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；最后通过数据处理模块根据数字信号以及声音信号的时延差对声源进行定位，声源定位系统的整体结构简单，进而提高声源定位系统对环境的适应性，降低理论计算负担，提高定位速度；进一步地，通过时延差和声音信号对声源进行定位，避免实际测量环境对定位结果造成影响，提高定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的声源定位系统的一个实施例结构示意图；

图2是本发明实施例提供的声音传感器的一个实施例布置示意图；

图3是本发明实施例提供的声音传感器的另一个实施例布置示意图；

图4是本发明实施例提供的声源定位方法的一个实施例流程示意图。

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，本领域技术人员在没有做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。

为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本发明实施例提供一种声源定位系统及方法，以下进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的声源定位系统的一个实施例结构示意图，如图1所示，

该声源定位系统10包括：设置在不同位置的至少三个声音传感器100、与至少三个声音传感器100一一对应的至少三个信号转换模块200、至少两个时间差测量模块300以及数据处理模块400；

声音传感器100用于从不同的位置采集声源的声音信号；

信号转换模块200用于将声音信号转换为数字信号；

时间差测量模块300用于测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；

数据处理模块400用于根据数字信号以及声音信号的时延差对声源进行定位。

本发明实施例通过设置在不同位置的至少三个声音传感器100从不同的位置采集声源的声音信号，并通过设置信号转换模块200将声音信号转换为数字信号；设置时间差测量模块300测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；最后通过数据处理模块400根据声音信号以及声音信号的时延差对声源进行定位，声源定位系统10的整体结构简单，进而提高声源定位系统10对环境的适应性，降低理论计算负担，提高定位速度；进一步地，通过时延差和声音信号对声源进行定位，避免实际测量环境对定位结果造成影响，提高定位精度。

进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，声源定位系统10包括第一声音传感器110、第二声音传感器120以及第三声音传感器130，对于一个二维坐标系，第二声音传感器120设置在二维坐标系的原点，第一声音传感器110设置在横轴的负半轴，第三声音传感器130设置在横轴的正半轴，且第一声音传感器110和第三声音传感器130与第二声音传感器120之间的距离相等。

需要说明的是：第一声音传感器110和第三声音传感器130与第二声音传感器120之间的距离大于0.01m，小于10cm。

通过在同一条直线上设置第一声音传感器110、第二声音传感器120以及第三声音传感器130测量声源的声音信号，可进一步简化声源定位系统10的结构。

进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，声源定位系统10包括第一时间差测量模块310和第二时间差测量模块320；

第一时间差测量模块310分别连接第一声音传感器110和第三声音传感器130，用于测量第一声音传感器110和第三声音传感器130采集的声音信号的第一时延差；

第二时间差测量模块320分别连接第二声音传感器120和第三声音传感器130，用于测量第二声音传感器120和第三声音传感器130采集的声音信号的第二时延差。

进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，声源定位系统10包括第一信号转换模块210、第二信号转换模块220以及第三信号转换模块230；

第一信号转换模块210连接于第一声音传感器110，用于将第一声音传感器110采集的声音信号转换为第一数字信号；

第二信号转换模块220连接于第二声音传感器130，用于将第二声音传感器120采集的声音信号转换为第二数字信号；

第三信号转换模块230连接于第三声音传感器130，用于将第三声音传感器130采集的声音信号转换为第三数字信号。

进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，数据处理模块400包括象限确定单元410、偏角确定单元420、距离确定单元430以及声源坐标确定单元440；

象限确定单元410分别连接于第一信号转换模块210、第二信号转换模块220以及第三信号转换模块230，用于获取第一数字信号的第一电压值、第二数字信号的第二电压值和第三数字信号的电压值，并根据第一电压值、第二电压值和第三电压值确定声源在二维坐标系中的象限；

偏角确定单元420连接于所述第一时间差测量模块310，用于获取第一时延差，并根据第一时延差确定声源相对于横轴的偏角；

距离确定单元430连接于所述第二时间差测量模块310，用于获取第二时延差，并根据第二时延差确定声源与二维坐标系的原点之间的距离；

声源坐标单元440用于根据象限、偏角以及声源与二维坐标系的原点之间的距离确定声源在二维坐标系中的坐标值。

其中，象限确定单元410根据第一电压值、第二电压值和第三电压值确定声源在二维坐标系中的象限具体为：

当第一声音传感器110经过第一信号转换模块210转换后输出的第一电压值大于第三声音传感器130经过第三信号转换单元230转换后输出的第三电压值，此时判定声源处于二维坐标系中的第二、三象限；

当第一声音传感器110经过第一信号转换模块210转换后输出的第一电压值小于第三声音传感器130经过第三信号转换单元230转换后输出的第三电压值，此时判定声源处于二维坐标系中第一、四象限；

当第一声音传感器110经过第一信号转换模块210转换后输出的第一电压值等于第三声音传感器130经过第三信号转换单元230转换后输出的第三电压值，且第二声音传感器120经过第二信号转换单元220转换后输出的第二电压值不为零，此时判定声源处于二维坐标系中的纵轴上；

当第一声音传感器110经过第一信号转换模块210转换后输出的第一电压值、第三声音传感器130经过第三信号转换单元230转换后输出的第三电压值和第二声音传感器120经过第二信号转换单元220转换后输出的第二电压值都为零，此时判定并无声源目标存在。

进一步地，在本发明的一些实施例中，当声源位于二维坐标系的第二象限或第三象限时，声源的横坐标为：

式中，x₁为当声源位于二维坐标系的第二象限或第三象限时，声源的横坐标；d为第一声源传感器与第二声源传感器之间的距离；v为声速；Δt₂为第二时延差，α为偏角。

进一步地，在本发明的一些实施例中，当声源位于二维坐标系的第一象限或第四象限时，声源的横坐标为：

式中，x₂为当声源位于二维坐标系的第一象限或第四象限时，声源的横坐标；d为第一声源传感器与所述第二声源传感器之间的距离；v为声速；Δt₂为第二时延差，α为偏角。

进一步地，在本发明的一些实施例中，声源的纵坐标为：

y＝xtan(α)

式中，y为声源的纵坐标；x为声源的横坐标；Δt₁为第一时延差。

具体地，上述公式的获得过程为：

声源到第一声音传感器110和第三声音传感器130之间的距离差满足：

|PF₁-PF₃|＝vΔt₁

式中，PF₁为声源到第一声音传感器110的距离；PF₃声源到第三声音传感器130的距离。

即声源必在以第一声音传感器110和第三声音传感器130为焦点；第二声音传感器120为坐标原点、vΔt₁为实轴长的双曲线上，列出双曲线的标准方程：

其中实轴长2a＝vΔt₁，焦点长2c＝F₁F₃＝2d，根据关系式a²+b²＝c²可求出虚轴b，进而求出双曲线的渐近线方程，最终可求得渐近线与x轴的夹角为：

根据双曲线性质，若声源距离第一声音传感器110和第三声音传感器130足够远时，声源所在的双曲线与其渐近线非常趋近，此时可以认为声源在渐近线上，即此时声源与横轴的偏角等于渐近线与横轴的偏角，所以偏角为：

对声源的位置建立定位方程组：

y＝xtan(α)

PF₂ ²＝x²+y²

PF₃ ²＝(x-d)²+y²

|PF₂-PF₃|＝vΔt₂

PF₂为声源到第二声音传感器120的距离，由上述方程组可得声源的横坐标。

进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，声源定位系统10还包括：与至少三个声音传感器100一一对应的至少三个程控放大模块500以及至少三个程控滤波模块600；

程控放大模块500用于放大声音信号；

程控滤波模块600用于对放大后的声音信号进行滤波。

其中，程控放大模块500放大后的声音信号的电压值应处于信号转换模块200的工作电压范围内。

通过设置程控放大模块500可提高数据处理模块400处理信号的可靠性，进而提高声源定位系统10定位声源的准确性。

其中，程控滤波模块600用于对放大后的声音信号进行滤波的具体原理为：

程控滤波模块600设计合适的上限截止频率和下限截止频率，以滤除掉放大后的声音信号中的噪声。

通过设置程控滤波模块600可对声音信号进行去噪，进而进一步提高声源定位系统10定位声源的准确性。

具体地，声波定位系统10包括与第一声音传感器110、第二声音传感器120以及第三声音传感器130一一对应的第一程控放大模块510、第二程控放大模块520以及第三程控放大模块530；

声波定位系统10还包括与第一声音传感器110、第二声音传感器120以及第三声音传感器130一一对应的第一程控滤波模块610、第二程控滤波模块620以及第三程控滤波模块630。

需要说明的是：在本发明的一些实施例中，程控放大模块500、程控滤波模块600、时间差测量模块300和数据处理模块400均可以采用软件实现，例如：可以将上述四个模块采用编程的方式嵌入在FPGA或是ARM芯片内实现。

还需要说明的是：本发明实施例提供的声源定位系统10还可对三维空间内的声源进行定位，具体地，如图3所示，声源定位系统10包括4个声音传感器100，分别为第一声音传感器110、第二声音传感器120、第三声音传感器130和第四声音传感器140，第二声音传感器120设置在三维坐标系的原点，第一声音传感器110和第三声音传感器130关于x轴对称，且设置在z轴上，第四声音传感器140设置在y轴上，且其与第二声音传感器120之间的距离等于第一声音传感器110与第二声音传感器120之间的距离。定位时，先根据二维平面的模型，确定仰角和距离，之后根据声源到第四传感器140之间的时延差，最终确定声源的位置；具体定位过程在此不做赘述。

另一方面，本发明实施例还提供了一种声源定位方法，适用于上述任一实施例中所述的声源定位系统10，如图4所示，该声源定位方法包括：

S401、通过设置在不同位置的至少三个声音传感器100从不同的位置采集声源的声音信号；

S403、通过信号转换模块200将声音信号转换为数字信号；

S404、通过时间差测量模块300测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；

S404、通过数据处理模块400根据数字信号以及声音信号的时延差对声源进行定位。

本发明实施例通过设置在不同位置的至少三个声音传感器100从不同的位置采集声源的声音信号，并通过设置信号转换模块200将声音信号转换为数字信号；设置时间差测量模块300测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；最后通过数据处理模块400根据声音信号以及声音信号的时延差对声源进行定位，声源定位系统10的整体结构简单，进而提高声源定位系统10对环境的适应性，降低理论计算负担，提高定位速度；进一步地，通过时延差和声音信号对声源进行定位，避免实际测量环境对定位结果造成影响，提高定位精度。

以上对本发明实施例所提供的一种声源定位系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种声源定位系统，其特征在于，包括：设置在不同位置的至少三个声音传感器、与至少三个所述声音传感器一一对应的至少三个信号转换模块、至少两个时间差测量模块以及数据处理模块；

所述声音传感器用于从不同的位置采集声源的声音信号；

所述信号转换模块用于将所述声音信号转换为数字信号；

所述时间差测量模块用于测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；

所述数据处理模块用于根据所述数字信号以及所述声音信号的时延差对所述声源进行定位；

所述至少三个所述声音传感器包括第一声音传感器、第二声音传感器以及第三声音传感器，对于一个二维坐标系，所述第二声音传感器设置在所述二维坐标系的原点，所述第一声音传感器设置在横轴的负半轴，所述第三声音传感器设置在横轴的正半轴，且所述第一声音传感器和所述第三声音传感器与所述第二声音传感器之间的距离相等；

所述时间差测量模块包括第一时间差测量模块和第二时间差测量模块；

所述第一时间差测量模块分别连接所述第一声音传感器和所述第三声音传感器，用于测量所述第一声音传感器和所述第三声音传感器采集的声音信号的第一时延差；

所述第二时间差测量模块分别连接所述第二声音传感器和所述第三声音传感器，用于测量所述第二声音传感器和所述第三声音传感器采集的声音信号的第二时延差；

所述信号转换模块包括第一信号转换模块、第二信号转换模块以及第三信号转换模块；

所述第一信号转换模块连接于所述第一声音传感器，用于将所述第一声音传感器采集的声音信号转换为第一数字信号；

所述第二信号转换模块连接于所述第二声音传感器，用于将所述第二声音传感器采集的声音信号转换为第二数字信号；

所述第三信号转换模块连接于所述第三声音传感器，用于将所述第三声音传感器采集的声音信号转换为第三数字信号；

所述数据处理模块包括象限确定单元、偏角确定单元、距离确定单元以及声源坐标确定单元；

所述象限确定单元分别连接于所述第一信号转换模块、第二信号转换模块以及第三信号转换模块，用于获取所述第一数字信号的第一电压值、所述第二数字信号的第二电压值和所述第三数字信号的电压值，并根据所述第一电压值、所述第二电压值和所述第三数字信号的电压值确定所述声源在所述二维坐标系中的象限；

所述偏角确定单元连接于所述第一时间差测量模块，用于获取所述第一时延差，并根据所述第一时延差确定所述声源相对于所述横轴的偏角；

所述距离确定单元连接于所述第二时间差测量模块，用于获取所述第二时延差，并根据所述第二时延差确定所述声源与所述二维坐标系的原点之间的距离；

所述声源坐标单元用于根据所述象限、所述偏角以及所述声源与所述二维坐标系的原点之间的距离确定所述声源在所述二维坐标系中的坐标值；

当所述声源位于所述二维坐标系的第二象限或第三象限时，所述声源的横坐标为：

式中，

为当所述声源位于所述二维坐标系的第二象限或第三象限时，所述声源的横坐标；/>

为所述第一声源传感器与所述第二声源传感器之间的距离；/>

为声速；/>

为所述第二时延差，/>

为所述偏角。

2.根据权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，当所述声源位于所述二维坐标系的第一象限或第四象限时，所述声源的横坐标为：

式中，

为当所述声源位于所述二维坐标系的第一象限或第四象限时，所述声源的横坐标；/>

为所述第一声源传感器与所述第二声源传感器之间的距离；/>

为声速；/>

为所述第二时延差，/>

为所述偏角。

3.根据权利要求1或2所述的声源定位系统，其特征在于，所述声源的纵坐标为：

式中，

为所述声源的纵坐标；/>

为所述声源的横坐标；/>

为所述第一时延差。

4.根据权利要求1所述的声源定位系统，其特征在于，所述声源定位系统还包括：与至少三个所述声音传感器一一对应的至少三个程控放大模块以及至少三个程控滤波模块；

所述程控放大模块用于放大所述声音信号；

所述程控滤波模块用于对放大后的所述声音信号进行滤波。

5.一种声源定位方法，应用于权利要求1-4任一项所述的声源定位系统，其特征在于，包括：

通过设置在不同位置的至少三个声音传感器从不同的位置采集声源的声音信号；

通过信号转换模块将所述声音信号转换为数字信号；

通过时间差测量模块测量其中一个声音传感器与其他声音传感器采集的声音信号的时延差；

通过数据处理模块根据所述数字信号以及所述声音信号的时延差对所述声源进行定位。

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