CN116299182A - 一种声源三维定位的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声源定位技术领域，公开了一种声源三维定位的方法及装置，在三维空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴的正负半轴上各放置一个麦克风，且每个麦克风到该坐标系原点的距离相等；声源三维定位的方法包括：当声源入射到麦克风阵列并被其接收时，获得麦克风接收到的信号时间差；根据信号时间差获得声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角；根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。采用本发明提供的定位方法可以获得声源的三维坐标，且精度高、拾音距离远。
Description
技术领域
本发明属于声源定位技术领域，更具体地，涉及一种声源三维定位的方法及装置。
背景技术
麦克风阵列声源定位技术是一个确定声音空间来源位置的技术，属于被动定位技术。当声源定位系统探测目标时不会主动去发射信号，而是依靠接收被测目标所发出的信号对其完成定位。现有技术主要对平面声源定位从设别率、定位精度、拾音距离和定位范围等方面展开较为深入的研究，大部分已形成产品。
现有技术中，采用声源定位方法的定位装置普遍是在二维平面上的应用，在三维空间上定位的研究不透彻。对于三维空间上定位的研究只介绍了俯仰角和方位角的计算方法，对角度精度没有具体说明，存在精度不高的问题，且有效拾音距离较近。另外对声源距离的研究很少，没有实现三维坐标定位。
发明内容
因现有技术中的声源定位方法主要是在二维平面上的应用，本发明的目的在于设计一种声源三维定位的方法及装置，旨在实现三维空间中的声源定位方法，计算声源三维坐标，并改善定位精度不高且拾音距离近的现状。
本发明提供了一种声源三维定位的方法，在三维空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴的正负半轴上各放置一个麦克风，且每个麦克风到该坐标系原点的距离相等；声源三维定位的方法包括下述步骤：
当声源入射到麦克风阵列并被其接收时，获得麦克风接收到的信号时间差；
根据信号时间差获得声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角；
根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；
根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。
更进一步地，采用广义互相关函数法对不同麦克风接收声音的时延以两个为一组进行估值计算。
作为本发明的一个实施例，对两个一组的麦克风采样数据的信号时间差的计算方法具体为：
（1）对音频数据进行分帧加窗和插值处理；
（2）对处理后的音频数据进行快速傅里叶变换；
（3）计算变换后的两个音频数据的互功率谱；
（4）对互功率谱进行加权处理，并进行快速傅里叶逆变换；
（5）通过峰值检测找到最大值点的所在位置，最大值点所在位置与采样率的比值即为两个麦克风接收到的信号的时间差。
更进一步地，可以根据公式
获得俯仰角，根据公式
获得方位角；其中，c为声速，/>
为Z轴上两个麦克风的信号时间差，r为这两个麦克风的间距。
更进一步地，当采用的麦克风平面阵列为四元阵列时，将整个360°全向拾音阵列划分为四个拾音区，角度范围分别是（45°，135°）、（135°，225°）、（225°，315°）和（315°，45°）。
其中，根据两个麦克风的时间差来判断声源属于四个拾音区中的一个。
更进一步地，通过插值法提高音频采样率。
本发明还提供了一种声源三维定位的装置，包括布置在三维空间的多个麦克风阵列，麦克风阵列中的麦克风设置在三维空间直角坐标系的x轴、y轴、z轴的正负半轴上，且每个麦克风到三维空间直角坐标系原点的距离相等。
工作时，当声源入射到麦克风阵列并被其接收时获得麦克风接收到的信号时间差；根据信号时间差获得声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角；根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于使用了恰当的麦克风空间阵列结构和声源定位算法，使每个麦克风阵列设备可单独实时计算出俯仰角和方位角；通过拾音区判断，选择合适的麦克风音频数据，可计算出误差仅为1°的声源方位角度。多个麦克风阵列设备的联合使用，实现了对声源三维坐标的计算。
附图说明
图1是本发明实施例提供的声源三维定位的装置中的三维空间麦克风阵列模型示意图；
图2是本发明实施例提供的声源三维定位的装置中的远场模型示意图；
图3是本发明实施例提供的声源三维定位的装置中的多个麦克风阵列计算模型示意图；
图4是本发明实施例提供的平面投影示意图；
图5是本发明实施例提供的声源三维定位的装置中的六元麦克风空间阵列示意图；
图6是本发明实施例提供的平面上时间差示意图；
图7是本发明实施例提供的声源三维定位的方法中时延估计方法实现流程图；
图8是本发明实施例提供的声源三维定位的方法中信号流向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的声源三维定位的方法，采用多个麦克风阵列（至少两个），配合上位机软件，完成声源音频数据采集、角度计算、数据传输和三维坐标显示等功能；可以在空间中实现对声源的三维坐标的定位，具有拾音距离远和定位精度高的特点。
在本发明实施例中，麦克风阵列是由两个及以上麦克风按一定结构排列组成的音频采集系统，只要使用了多个麦克风都可以统称为麦克风阵列。但是，一个麦克风阵列可以具有不同的麦克风数量和构型，如使用四个麦克风按一条直线排列、或按正方形排列、或用六个麦克风组成正六边形，这些都是不同的麦克风阵列。
麦克风阵列是将一定数量的声传感器按照特定的规则安置形成具有特定空间结构的阵列，其主要负责声源信号的采集和作为后续进行位置信息解算的基础。在进行麦克风阵列结构设计的时候，主要考虑阵元数量、阵元间距、阵列孔径和麦克风传感器的空间分布位置等以上信息。
阵元数目过少难以获取有效的声源位置信息，阵元数目过多理论上获取的信息更加丰富，定位效果越好，但是同时也会增加获取到的信息的冗余和增大计算量，影响声源的实时定位效果；阵列孔径用来表示阵列的空间体积，孔径越大布线越复杂而且实现难度也随之增加；阵元间距是指麦克风阵列中相邻两个阵元之间的距离，在一定范围内阵元间距越小其阵列截止频率越高；在实验过程中为了取得较好的分辨率需要综合考虑阵列孔径、阵元间距和被测声源目标。根据需求，本发明实施例将麦克风阵列设计为三维构型，来达到三维定位效果，该阵列模型上每个麦克风到球心的距离都相等，理论上能够有效的探测整个区域。如图1所示，三维结构是在一个空间直角坐标系上的x，y，z轴的正负半轴上各放置一个麦克风，每个麦克风到该坐标系原点的距离相等。图1中所示为本发明实施例使用的一个麦克风阵列的结构，图中黑点代表麦克风；使用六个麦克风组成一个麦克风阵列；x，y，z轴为空间直角坐标系，方便展示每一个麦克风在阵列的具体放置位置。
本发明实施例采用的三维空间麦克风阵列模型可以有效计算出声源的俯仰角
和方位角/>
。在远场声源路径模型中，声源到单个麦克风阵列中的各个麦克风的路径可视为平行线。如图2示出了远场声源路径模型，图中R1和R2分别表示远场声源到麦克风M1和麦克风M2的入射路径。
声音以λ角度入射到麦克风阵列并被其接收，麦克风之间距离为
，声源信号在传播到/>
麦克风时会比传输到/>
麦克风时多走了/>
的路程。在已知声速为/>
的情况下，麦克风接收到的信号时间差可以表示为式2-1。
因此，只需要估计出
，就可以估计出入射角度λ，见式2-2。
时间差
采用广义互相关算法计算得到。在上式可以看到，采用一个麦克风阵列可以计算出声源的方位角度，但无法得知声源的距离信息。因此，本发明设计了一种采用多阵列计算声源具体坐标位置的方法。如图3所示。
根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。
具体地，如图3所示，每个设备均是具有三维麦克风阵列的定位装置，相邻两个设备间的距离已知，且可以不固定，以设备1作参考坐标系。声源O（X，Y，Z）到设备1的路径为Oa1，它在xy平面上的投影为Sa1，
是设备1到声源O的俯仰角。同理，声源O到设备2的路径为Oa2，它在xy平面上的投影为Sa2。如图4所示。
在图4中，以设备
建立坐标系。只需要知道Sa1和Sa2在坐标系中的直线表达式，它们的交点S即为声源在二维平面上的投影点。设S的坐标为（X，Y），a1和a2是六元三维麦克风阵列，坐标分别为（0，0）和（d，n），/>
是a1的方位角，则Sa1的直线方程为式2-3。
将两式联立，可得式2-5。
根据投影点S（X，Y）的坐标和设备1计算所得的俯仰角
，可得式2-6。
至此计算出声源在空间中相对设备1的三维坐标。
在这里，首先可以根据声源到麦克风阵列的方位角
和/>
分别获得直线方程（2-3）和（2-4）；这两个直线方程在xy平面上形成交点，该交点即为声源在xy平面上的投影点。其次，可根据公式（2-5）计算出投影点S（X，Y）的坐标；最后由声源到麦克风阵列的俯仰角/>
和公式（2-6）计算得到声源的Z轴坐标，也即是得到具体的声源三维坐标（X，Y，Z）。对于声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角的计算，采用基于到达时间差（TDOA）的声源定位算法。以六元麦克风空间阵列为例，其阵列结构与声源角度关系如图5所示。
六元三维麦克风空间阵列如图5所示，6个麦克风固定在三个直角坐标系中。其中
，/>
，/>
，/>
，/>
，/>
。已知在远场声源模型中，声源到各个麦克风的传播路径为平行线，可采用式（2-2）的计算方法。计算Z轴上
和/>
两个麦克风的时间差/>
，通过式（2-2）可得声源相对于当前麦克风阵列的俯仰角
。
在计算方位角时，选用平面上
四个麦克风计算时间差，也可通过式（2-2）获得方位角的值。但需注意，由平面上两个麦克风计算所得的时间差/>
是这两个麦克风在三维空间中的时间差，需要转换到平面上，如图6所示。实线为声源到麦克风M6和M3的实际传播路径，它们的路程差为/>
，设声速为C，时间差为/>
。已知俯仰角为/>
，/>
在平面上的投影为/>
，则平面上的时间差为/>
。代入式（2-2），方位角计算见式2-7。
音频时间差的结果表现形式是对音频采样点数的估计，因此对于角度计算精度，其主要与麦克风阵列的大小和音频采样率有关，当麦克风阵列半径越大，音频采样率越高，计算得到角度的精度越高。
另外，角度计算精度也与三角函数
的性质有关。可知，/>
时曲线斜率最大，因此声源在阵列正前方时的角度分辨率最大，而在阵列的侧面时，角度分辨率最小。当阵元间距/>
，/>
时麦克风阵列可分辨的角度，最小分辨角度在90°附近，约1°，最大分辨角度在0°附近，约7.4°，在（45°，135°）范围内，平均角度分辨率为1.2°。因此，对于角度的计算，需要尽可能地将声源角度放在（45°，135°）范围内。
本发明中采用的平面阵列为四元阵列，可以将整个360°全向拾音阵列划分为四个拾音区，它们的角度范围分别是（45°，135°）、（135°，225°）、（225°，315°）和（315°，45°）。
在这里，麦克风平面阵列为多个麦克风在xy平面上形成的阵列。例如，如图5所，位于X坐标轴上的麦克风
和/>
与位于Y坐标轴上的麦克风/>
和M4在xy平面上形成一个平面阵列。
判定拾音区时，通过计算
和/>
两个麦克风的时间差/>
，根据/>
值的符号即可初步判断声源在平面上所处的角度范围。再计算/>
和/>
两个麦克风的时间差/>
，即可将声源确定到上述四个拾音区的其中一个。
对于确定的拾音区，采用合适的麦克风计算时间差
，就可将方位角的精度控制在1.2°以内。若想进一步提高精度，可扩大麦克风阵列的尺寸，也可提高音频采样率。在不改变硬件结构和性能的条件下，可使用插值算法，将音频采样率提高到96kHz。对使用的插值算法不作要求，可选择以下方法中的任意一种：牛顿插值、埃尔米特插值、拉格朗日插值、样条插值、线性插值等。
对于时间差的计算，可采用广义互相关算（gcc-phat）法，对不同麦克风接收声音的时延以两个为一组进行估值计算。具体实现步骤为：经过AD转换后的六路麦克风数据，通过分帧加窗和插值处理后，分别对其进行傅里叶变换（FFT），得到的结果先计算互功率谱，再进行加权处理，对信号数据进行傅里叶逆变换（IFFT），通过峰值检测，寻找最大值点，最后通过该点在这段数据中的位置估计出麦克风之间接收信号的时间差。算法流程如图7所示。本发明实施例提供的声源三维定位的方法中，在三维空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴的正负半轴上各放置一个麦克风，且每个麦克风到该坐标系原点的距离相等；声源三维定位的方法包括下述步骤：
当声源入射到麦克风阵列并被其接收时，获得麦克风接收到的信号时间差；
根据信号时间差获得声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角；
根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；
根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。
其中，时间差的值的符号有正负之分，代表做时延估计算法的两个麦克风，其中一个比另一个接收到的声音信号早，或者晚于另一个麦克风。此处不做限制，可自行规定。
本发明可获得声源详细的三维坐标。
本发明采用以嵌入式硬件设备为主，上位机软件辅助配合的形式实现；其中，硬件方面，设计和完成多个基于嵌入式平台的声源定位设备，一个作为主设备，建立参考坐标系，其他作为从设备，提供设备位置信息和角度计算数据。对于任意一个声源定位设备，需具有，音频采集单元、定位计算单元和数据传输单元。
音频采集单元，用于获取麦克风阵列采集的六路音频模拟信号，通过A/D转换得到数字信号。定位计算单元，根据音频数字信号计算声源到达坐标轴上对应麦克风的时间差，再根据时间差计算出俯仰角和方位角。数据传输单元，将所得俯仰角和方位角的值传输到上位机软件，传输方法包括但不限于：有线或无线网络、串口等。
遵循小型化、模块化设计原则，声源定位设备由结构件和电路板组装而成，各个组成部分之间安装便捷。电路设计采用“MCU+Codec”的方式，配合少量外围电路，实现音频信号采集、处理、角度计算的技术要求。采用三维麦克风阵列，对声源信号进行同步采集，经过信号调理电路进行适当的调整后，通过音频芯片进行同步模数处理，将转化后的数字信号并行传输给MCU，采用声源定位算法，实现声源俯仰角和方位角的有效估计，并将结果通过有线或无线的方式传输给上位机软件。信号流向如图8所示。
上位机软件需具有数据接收单元、坐标计算单元和显示单元。数据接收单元，与所有声源定位设备建立数据传输通道，实时接收来自各个声源定位设备的俯仰角和方位角数值。坐标计算单元，根据每个设备上传的角度信息，综合计算出声源的三维坐标值。为了使结果更加可靠，每两个设备之间以主设备参考坐标系为基准进行一次坐标计算，得到多组三维坐标值。通过众数判别的方式，最终得到相对于主设备的三维声源坐标。并通过显示单元将坐标信息在上位机软件上显示出来。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种声源三维定位的方法，其特征在于，在三维空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴的正负半轴上各放置一个麦克风，且每个麦克风到该坐标系原点的距离相等；声源三维定位的方法包括下述步骤：
当声源入射到麦克风阵列并被其接收时，获得麦克风接收到的信号时间差；
根据信号时间差获得声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角；
根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；
根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用广义互相关函数法对不同麦克风接收声音的时延以两个为一组进行估值计算。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对两个一组的麦克风采样数据的信号时间差的计算方法具体为：
（1）对音频数据进行分帧加窗和插值处理；
（2）对处理后的音频数据进行快速傅里叶变换；
（3）计算变换后的两个音频数据的互功率谱；
（4）对互功率谱进行加权处理，并进行快速傅里叶逆变换；
（5）通过峰值检测找到最大值点的所在位置，最大值点所在位置与采样率的比值即为两个麦克风接收到的信号的时间差。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据公式
获得俯仰角，根据公式/>
获得方位角；
其中，c为声速，
为Z轴上两个麦克风的信号时间差，r为这两个麦克风的间距。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，当采用的麦克风平面阵列为四元阵列时，将整个360°全向拾音阵列划分为四个拾音区，角度范围分别是（45°，135°）、（135°，225°）、（225°，315°）和（315°，45°）。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据两个麦克风的时间差来判断声源属于四个拾音区中的一个。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过插值法提高音频采样率。
8.一种声源三维定位的装置，其特征在于，包括布置在三维空间的多个麦克风阵列，麦克风阵列中的麦克风设置在三维空间直角坐标系的x轴、y轴、z轴的正负半轴上，且每个麦克风到三维空间直角坐标系原点的距离相等。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，工作时，当声源入射到麦克风阵列并被其接收时获得麦克风接收到的信号时间差；根据信号时间差获得声源到单个麦克风阵列定位设备的俯仰角和方位角；根据声源到每个麦克风阵列的俯仰角和方位角获得直线方程；根据声源在同一空间坐标系下到多个麦克风阵列的直线方程的交点获得声源位置。
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