CN115825867A - 一种非视距声源定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非视距声源定位方法，具体包括：获取墙壁参数，使用麦克风阵列在当前采样点视距的反射墙壁上采样得到N个反射点，计算每个反射点的反射角度范围，根据反射角度范围，配置N条反射路径，计算反射路径的向量，以反射路径与反射墙壁的交点作为采样点，重复前述步骤以逆推反射点，重复直到单条反射路径的总长度超过声传播路线上限长度；统计各条反射路径的终点坐标，对终点坐标聚类分析，选定终点簇，根据终点簇计算声源坐标。本发明的方法能够在声源与麦克风传感器之间存在遮挡的非视距条件下也能够对声源位置进行定位，扩展声源定位的应用环境。

Description

一种非视距声源定位方法
技术领域
本发明属于声源定位技术领域，具体涉及一种非视距声源定位方法。
背景技术
现有的声源定位技术均需要声源处于声传感器，也即麦克风阵列的直接视距范围内，如果声源到麦克风阵列之间有墙壁遮挡，则完全不能够对声源进行定位。
但是，实际情况下，在声源和麦克风传感器之间不仅可能有墙壁遮挡，甚至会存在多道墙壁，理想条件下声源到麦克风传感器之间无遮挡的环境不一定具备。在这种情况下，通过现有方法对声源的定位将会失败。
因此需要一种非视距声源成像方法，能够在声源与麦克风传感器之间存在遮挡的非视距条件下也能够对声源位置进行定位，扩展声源定位的应用环境。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种非视距声源定位方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种非视距声源定位方法，具体包括如下步骤：
S1、获取墙壁位置及形状参数；
S2、选定处于当前采样点视距内的墙壁作为反射墙壁，使用麦克风阵列在反射墙壁上采样得到N个反射点；
S3、根据墙壁位置及形状参数，计算每个反射点的反射角度范围；
S4、根据反射角度范围，为每个反射点配置N条反射路径；
S5、计算反射路径的向量；
S6、以反射路径与反射墙壁的焦点作为虚拟麦克风阵列，返回步骤S2，直到单条反射路径的总长度超过声传播路线上限长度；
S7、统计各条反射路径的终点坐标，对终点坐标聚类分析，选定终点坐标总间距最小的簇作为终点簇；
S8、根据终点簇计算声源坐标。
作为优选方案，步骤S3中，每个反射点的反射角度范围为根据反射点的标准反射角度和误差计算得到的角度范围。
作为优选方案，步骤S4中，反射路径在角度范围内均匀配置。
作为优选方案，步骤S5中，反射路径的向量根据麦克风阵列与反射墙壁的距离，并结合反射路径的角度计算。
作为优选方案，步骤6中，声传播路线上限长度根据当前环境声速和声波到达麦克风阵列的时延确定。
作为优选方案，步骤S7的聚类使用Kmeans聚类。
作为进一步优选的方案，Kmeans聚类的损失函数为簇中终点坐标总间距的平方和。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的方法，通过预先设置的墙壁参数逐步逆推声传播的反射路径，然后通过聚类分析确定声源坐标，能够在声源与麦克风传感器之间存在遮挡的非视距条件下也能够对声源位置进行定位，扩展声源定位的应用环境。
附图说明
图1为本发明的一种非视距声源定位方法的流程图；
图2为本发明的一种示范性的声源、墙壁及麦克风阵列布局示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在下述介绍中提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
本申请某一实施例提供一种非视距声源定位方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：
S1、获取墙壁位置及形状参数，由于需要获取反射特性，因此，在本方法的最前，需要首先获取墙壁表面参数以供反射计算。
墙壁表面参数可以通过工程图纸分析获得，或者使用激光雷达对实景进行扫描生成。
在本实施例的一个具体示例中，展示了如图2的一种示范性的声源、墙壁及麦克风阵列布局，其中A点为麦克风阵列，B点为声源，而麦克风阵列及声源之间由墙壁拐角隔挡，麦克风阵列无法直接对声源的发声进行采集。
S2、选定处于当前采样点视距内的墙壁作为反射墙壁，使用麦克风阵列在所述反射墙壁上采样得到N个反射点；
选定当前的反射墙壁，也即目前处于麦克风阵列视距内的墙面作为反射墙壁，使用麦克风阵列在当前的反射墙壁上采样得到N个反射点。
在上述图2的示例中，可以看到x与y墙壁处于麦克风阵列的视距中，麦克风阵列能够直接对x与y墙壁上的声信号进行采样。故使用麦克风阵列，在x与y墙壁上能够直射到麦克风阵列的区域中，均匀选择N个采样点进行采样，得到N个反射点。
在本示例中，这些N个反射点的角度分别为
Figure SMS_1
，每个反射点的角度即为其与麦克风阵列的连线的水平夹角。
S3、根据墙壁位置及形状参数，计算每个反射点的反射角度范围；
在本申请的部分实施例中，步骤S3中，每个反射点的反射角度范围为根据反射点的标准反射角度和误差计算得到的角度范围。
具体的，在上述图2的示例中，实线为反射点与麦克风阵列的连线，也即反射角度范围的中心线，灰色部分为反射点的反射角度范围，虚线为第二次反射的反射角度范围的边缘。在采集每个反射点的反射角度时，其计算结果由于墙面凹凸等因素会存在误差。而考虑墙面的反射误差以及计算得到的反射角度的误差符合正态分布，因此反射角度范围可以用以下公式表示：
对于第n个反射点，其反射角度范围为
Figure SMS_2
，其中
Figure SMS_3
为该反射点与麦克风阵列的连线的水平夹角，
Figure SMS_4
为反射角度的标准差，
Figure SMS_5
的大小根据墙壁的材质、粗糙程度确定。
S4、根据反射角度范围，为每个反射点配置N条反射路径；
在本申请的某些优选实施例中，反射路径在角度范围内均匀配置。
具体的，在上述步骤S3得到的反射角度范围内，从反射点均匀引出I个反射路径，每条反射路径的角度为：
Figure SMS_6
，这一角度分布使反射路径在角度范围内成正态分布进行分散，越接近反射角度范围的中心则反射路径分布越密集。
S5、计算反射路径的向量；
在本申请的某些优选实施例中，反射路径的向量根据麦克风阵列与反射墙壁的距离和反射路径的角度计算。
具体的，首先根据墙壁位置及形状参数确定阵列距离光滑墙面的垂直距离d，然后结合反射路径的角度，将连接麦克风阵列到每个反射点的反射路径的向量表示为：
Figure SMS_7
。
而该向量的入射向量则表示为：
Figure SMS_8
，其中n表示墙面的法向量。
由于每个反射点的入射路线都来自于上一面墙壁的反射，因此入射路线可以看作上一次反射的输入，因此可以重复上述回溯过程。
执行步骤S6、以反射路径与反射墙壁的交点重新确定采样点，为采样点配置虚拟麦克风阵列，返回步骤S2，直到单条反射路径的总长度超过声传播路线上限长度。
由于每个反射点的入射路线可以看成上一次反射的输出，因此重复步骤S2-S6便可以不断逆推声传播路线直到声源位置。
其中，声传播路线上限长度根据当前环境声速和声波到达麦克风阵列的时延确定，以c为声音速度，t为各个反射点上声源开始发声到第一个可探测的波峰到达阵列的时间，则处于麦克风阵列的视距上的各个反射点的声传播路线的上限长度表示为
Figure SMS_9
。
S7、统计各条反射路径的终点坐标
Figure SMS_10
，由于前述路径计算的路径角度符合正态分布，因此在本步骤中，终点坐标的误差也符合正态分布
Figure SMS_11
。其中，终点坐标根据声传播路线的上限长度确定，当距离麦克风阵列的总反射路径长度达到该路径的声传播路线的上限长度时，在该反射路径上确定该反射路径的终点坐标。
假设声源位置为
Figure SMS_12
，则误差可以表示为：
Figure SMS_13
。
将终点坐标带入概率密度函数，取
Figure SMS_14
的终点坐标并计算所有
Figure SMS_15
的质心，便得到每个终点坐标综合其分布误差以后的质心坐标。其中，质心根据所有
Figure SMS_16
群点所成的假想几何体的质心确定而成。
在得到上述各条反射路径终点坐标的质心坐标以后，对终点坐标的质心坐标做聚类分析，并在聚类分析中选定终点坐标总间距最小的簇作为终点簇，从而得到最接近声源位置的终点坐簇集群。
在本申请的某些优选实施例中，上述步骤S7的聚类使用Kmeans聚类，而Kmeans聚类的损失函数为簇中终点坐标总间距的平方和。
在得到步骤S7的终点簇以后，使用这些终点簇计算声源坐标，执行步骤S8、根据终点簇计算声源坐标，对该簇中所有终点坐标取平均值，得到非视距定位后的声源位置。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种非视距声源定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、获取墙壁位置及形状参数；
S2、选定处于当前采样点视距内的墙壁作为反射墙壁，使用麦克风阵列在所述反射墙壁上采样得到N个反射点；
S3、根据所述墙壁位置及形状参数，计算每个所述反射点的反射角度范围；
S4、根据所述反射角度范围，为每个所述反射点配置N条反射路径；
S5、计算所述反射路径的向量；
S6、以所述反射路径与所述反射墙壁的交点重新确定采样点，为所述采样点配置虚拟麦克风阵列，返回步骤S2，直到单条反射路径的总长度超过声传播路线上限长度；
S7、统计各条反射路径的终点坐标，对所述终点坐标聚类分析，选定终点坐标总间距最小的簇作为终点簇；
S8、根据所述终点簇计算声源坐标。
2.如权利要求1所述的一种非视距声源定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，每个所述反射点的反射角度范围为根据所述反射点的标准反射角度和误差计算得到的角度范围。
3.如权利要求1所述的一种非视距声源定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述反射路径在所述角度范围内均匀配置。
4.如权利要求1所述的一种非视距声源定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，反射路径的向量根据所述麦克风阵列与所述反射墙壁的距离，并结合所述反射路径的角度计算。
5.如权利要求1所述的一种非视距声源定位方法，其特征在于，所述步骤S6中，声传播路线上限长度根据当前环境声速和声波到达所述麦克风阵列的时延确定。
6.如权利要求1所述的一种非视距声源定位方法，其特征在于，所述步骤S7的聚类使用Kmeans聚类。
7.如权利要求6所述的一种非视距声源定位方法，其特征在于，所述Kmeans聚类的损失函数为簇中终点坐标总间距的平方和。
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