CN116567515B - 一种麦克风阵列校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声源定位技术领域，特别是涉及一种麦克风阵列校准方法，通过麦克风一致性校准方法以及阵元位置偏差校准方法分别获得校准系数、校准导向矢量，通过设置并计算参考麦克风的响应频率，并根据参考麦克风计算每个麦克风的校准滤波器的校准系数，针对每个麦克风应用校准系数使麦克风具有较好的一致性，同时通过阵元位置偏差校准方法得出校准导向矢量，通过校准导向矢量可用于校准麦克风的阵元位置偏差，结合麦克风数据、麦克风的校准滤波器的校准系数和校准导向矢量可直接应用于阵列麦克风后续的校准调整，提高麦克风阵列的信号采集质量和抗噪声能力。
Description
技术领域
本发明属于录音设备技术领域，特别是涉及一种麦克风阵列校准方法。
背景技术
音频信号处理技术在许多应用领域中得到了广泛的应用，如语音识别、音频会议和声源定位等，其中，阵列麦克风系统被广泛使用，因为它们能够捕获来自不同方向的声音，并提供更高的信噪比和空间分辨率，然而，阵列麦克风系统的性能受到多种因素的影响，例如麦克风之间的距离、放置角度以及麦克风一致性、麦克风阵元位置等，这些因素可能导致阵列麦克风系统产生声源定位误差。
为了解决这些问题，在阵列麦克风被使用时，需要对阵列麦克风进行校准，比如专利公开号为CN110248303A的中国发明专利中公开的一种用于麦克风阵列精确校准装置及方法，其中麦克风阵列精确校准方法包括以下步骤：S1，测量待校准麦克风阵列中传声器空间坐标，并输入空间声源模拟系统中。S2，设定声源参数，计算阵列中的各个麦克风所在位置接收到的动态声信号。S3，将对应的多通道声压信号通过耦合腔标准声源输入到待校准的声阵列系统中。S4，使用待校准的声阵列进行声源定位计算，从而完成声源的模拟。S5，空间模拟声源的位置与待校准的声阵列定位的位置进行比对，完成对麦克风阵列系统整体的校准，但对于系统整体的校准仅能用于判断阵列麦克风声源位置推测的准确性，并不能获得准确麦克风阵列校准数据从而对阵列麦克风进行后续一致性的校准调整，所以需要一种便捷的能够对麦克风阵列进行校准测试、同时能生成阵列麦克风数据用于校准麦克风的麦克风阵列校准方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种麦克风阵列校准方法，很好的解决了现有技术中不能获得准确麦克风阵列校准数据从而对阵列麦克风进行后续一致性的校准调整的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种麦克风阵列校准方法，通过麦克风一致性校准方法以及阵元位置偏差校准方法分别获得校准系数、校准导向矢量，麦克风阵列数据经过傅里叶变换后，将校准系数以及校准导向矢量相乘后进行后续处理；
所述麦克风一致性校准方法包括以下步骤：
S1.在消声室中，将麦克风阵列所在的平面法向量正对声源，采集并保存阵列中所有麦克风声音数据；
S2.计算每个麦克风的校准滤波器的校准系数，包括以下子步骤：
a.选取一个参考麦克风；
b.计算参考麦克风的频率响应H ref （ω）；
c.对于阵列中的第i个麦克风，计算其频率响应H i(ω)；
d.根据公式C i(ω)=H ref （ω）/H i(ω)计算第i个麦克风的校准滤波器的校准系数；S3.存储校准系数；
S4.对第i个麦克风的输入信号应用其对应的校准系数C i(ω)，得到第i个麦克风校正后的信号，第i个麦克风校正后的信号为：Y i(ω)=C i(ω)X i(ω)；
S5.验证校准效果，如果存在误差，则重新调整校准滤波器的校准系数；
其中ω表示数字角频率，X i(ω)表示第i个麦克风的输入信号；
所述阵元位置偏差校准方法包括以下步骤：
K1.在消声室中，将麦克风阵列平面法向量正对声源，采集并保存阵列中所有麦克风声音数据；
K2.对所有麦克风声音数据进行快速傅里叶变换并得到离散频率f；
K3.对每一个离散频率f计算二维DOA俯仰角和水平角θ f ，由俯仰角/>和水平角θ f 得到校准导向矢量s f ，所述校准导向矢量计算公式为：/>，其中xi为第i个麦克风的三维位置，v f 是由俯仰角和水平角决定的单位矢量，所述单位矢量的计算公式为：/>；
K4.存储校准导向矢量，并在使用麦克风阵列时，通过校准导向矢量结合每个麦克风的数据进行校准，第i个麦克风校正后的信号为：Yi(f)=sf[i]*Xi(f)；
通过设置并计算参考麦克风的响应频率，并根据参考麦克风计算每个麦克风的校准滤波器的校准系数，针对每个麦克风应用校准系数使麦克风具有较好的一致性，通过对麦克风声音数据进行快速傅里叶变换得到离散频率，通过离散频率得到每个麦克风的俯仰角和水平角，通过俯仰角和水平角得到一个校准导向矢量，通过校准导向矢量可用于校准麦克风的阵元位置偏差，结合麦克风数据、麦克风的校准滤波器的校准系数和校准导向矢量可对阵列麦克风进行校准。进一步的，所述步骤S2中选取的参考麦克风是任意一颗靠近阵列中心的麦克风、所有麦克风或靠近阵列中心部分麦克风求平均获得的参考麦克风，使得到的麦克风响应频率为所有麦克风中较为均衡准确的参考值。
进一步的，所述步骤S1和K1中的麦克风阵列距离声源大于1米，麦克风阵列中麦克风与声源之间的距离越大，累积的相位差就会越大，DOA估计的精度也就越高。
进一步的，所述离散频率f根据应用场景稀疏选取，为了降低校准系数的数量，方便数据的处理。
进一步的，所述二维DOA俯仰角和水平角θ f 通过到达角估计算法得出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过麦克风一致性校准方法和阵元位置偏差校准方法，能够直接生成校准系数和校准导向矢量，从而直接应用于阵列麦克风的校准调整，提高麦克风阵列的信号采集质量和抗噪声能力。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。一种麦克风阵列校准方法，包括麦克风一致性校准方法和阵元位置偏差校准方法，所述阵列麦克风校准方法需要准备的设备包括：麦克风阵列、声卡或者数据采集设备、计算机和声源，所需场地为消声室，声卡或数据采集设备连接到麦克风阵列，连接麦克风的电缆长度应相等，且放置位置应一致，计算机连接到声卡或数据采集设备，计算机用于对数据进行存储和处理，计算机应放置在消声室外部，采集设备应远离电源等可能导致干扰的设备，通过麦克风一致性校准方法以及阵元位置偏差校准方法分别获得校准系数、校准导向矢量，麦克风阵列数据经过傅里叶变换后，将校准系数以及校准导向矢量相乘后进行后续处理。
所述麦克风一致性校准方法包括以下步骤：
S1.在消声室中，将麦克风阵列所在的平面法向量正对声源，通过声卡或数据采集设备采集并保存阵列中所有麦克风声音数据至计算机中；
S2.通过计算机计算每个麦克风的校准滤波器的校准系数，包括以下子步骤：
a.选取一个参考麦克风；
b.通过频率扫描软件计算参考麦克风的频率响应H ref （ω）；
c.对于阵列中的第i个麦克风，通过频率扫描软件计算其频率响应H i(ω)；
d.根据公式C i(ω)=H ref （ω）/H i(ω)计算第i个麦克风的校准滤波器的校准系数；
S3.将校准系数储存至计算机中；
S4.对第i个麦克风的输入信号应用其对应的校准系数C i(ω)，得到第i个麦克风校正后的信号，第i个麦克风校正后的信号为：Y i(ω)=C i(ω)X i(ω)；
S5.验证校准效果，验证校准结果通过再次测试来实现，通过将校准系数应用到麦克风阵列中的每个麦克风上，得到校正后的信号，将麦克风阵列置于同样的测试环境中，对原始信号和校正后的信号进行频率扫描测试，并记录测试结果，比较原始信号和校正后的信号在不同频率下的响应值，计算它们之间的差异，根据差异结果来判断校准效果的好坏，如果误差较小则说明校准效果较好，否则需要重新调整校准滤波器的校准系数来进行二次校准；其中ω表示数字角频率，X i(ω)表示第i个麦克风的输入信号的频域傅立叶变换；
所述阵元位置偏差校准方法包括以下步骤：
K1.在消声室中，将麦克风阵列平面法向量正对声源，通过声卡或数据采集设备采集并保存阵列中所有麦克风声音数据至计算机中；
K2.利用比如MATLAB的计算机软件，对所有麦克风声音数据进行快速傅里叶变换并得到离散频率f；
K3.对每一个离散频率f，计算二维DOA俯仰角和水平角θ f ，由俯仰角/>和水平角θ f 得到校准导向矢量s f ，所述校准导向矢量计算公式为：/>，其中xi为第i个麦克风的三维位置，v f 是由俯仰角和水平角决定的单位矢量，所述单位矢量的计算公式为：/>；
K4.存储校准导向矢量至计算机中，并在使用麦克风阵列时，通过校准导向矢量结合每个麦克风的数据进行校准；第i个麦克风校正后的信号为：Yi(f)=sf[i]*Xi(f)。
在本实施例中，所述步骤S2中选取的参考麦克风是任意一颗靠近阵列中心的麦克风、所有麦克风或靠近阵列中心部分麦克风求平均获得的参考麦克风，优选的，采用靠近阵列中心部分麦克风求平均获得的参考麦克风。
在本实施例中，所述步骤S1和K1中的麦克风阵列距离声源大于1米，优选的麦克风阵列中麦克风与声源之间的距离为5米左右。
在本实施例中，所述离散频率f根据应用场景稀疏选取，选取方法可采用等间隔采样、峰值采样、常用频率点采样、压缩感知采样，优选的采用压缩感知采样，利用稀疏性对数据进行压缩，选择尽可能少的离散频率点来实现阵元位置偏差校准，可以降低计算量和存储空间。
在本实施例中，所述二维DOA俯仰角和水平角θ f 通过到达角估计算法得出，所述到达角估计算法可采用MUSIC算法、ESPRIT算法、协方差矩阵法等进行计算。实际使用中一致性校准系数和校准导向矢量可同时使用，第i个麦克风校正后的信号为：Y i(f)=C i(f)*s f [i]*X i(f)。在麦克风阵列中，如果麦克风阵元具有较差的一致性，即阵元的频率响应或相位响应存在差异，那么就会导致声源定位和波束成形（beamforming）性能变差，类似的，如果麦克风的实际位置与设计位置存在一定的偏差，同样会导致声源定位和波束成形性能变差，本专利所述的阵元一致性校准和位置偏差校准方法能够得到相应的校准系数并用来补偿麦克风阵列的偏差，从而实现声源定位精度的提高和波束成形更好的声源增强性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对所述部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种麦克风阵列校准方法，其特征在于：通过麦克风一致性校准方法以及阵元位置偏差校准方法分别获得校准系数、校准导向矢量，麦克风阵列数据经过傅里叶变换后，将校准系数以及校准导向矢量相乘后进行后续处理；
所述麦克风一致性校准方法包括以下步骤：
S1.在消声室中，将麦克风阵列所在的平面法向量正对声源，采集并保存阵列中所有麦克风声音数据；
S2.计算每个麦克风的校准滤波器的校准系数，包括以下子步骤：
a.选取一个参考麦克风；
b.计算参考麦克风的频率响应H ref （ω）；
c.对于阵列中的第i个麦克风，计算其频率响应H i(ω)；
d.根据公式C i(ω)=H ref （ω）/H i(ω)计算第i个麦克风的校准滤波器的校准系数；S3.存储校准系数；
S4.对第i个麦克风的输入信号应用其对应的校准系数C i(ω)，得到第i个麦克风校正后的信号，第i个麦克风校正后的信号为：Y i(ω)=C i(ω)X i(ω)；S5.验证校准效果，如果存在误差，则重新调整校准滤波器的校准系数；
其中ω表示数字角频率，X i(ω)表示第i个麦克风的输入信号；
所述阵元位置偏差校准方法包括以下步骤：
K1.在消声室中，将麦克风阵列平面法向量正对声源，采集并保存阵列中所有麦克风声音数据；
K2.对所有麦克风声音数据进行快速傅里叶变换并得到离散频率f；
K3.对每一个离散频率f，计算二维DOA俯仰角和水平角θ f ，由俯仰角/>和水平角θ f 得到校准导向矢量s f ，所述校准导向矢量计算公式为：/>，其中xi为第i个麦克风的三维位置，v f 是由俯仰角和水平角决定的单位矢量，所述单位矢量的计算公式为：/>；
K4.存储校准导向矢量，并在使用麦克风阵列时，通过校准导向矢量结合每个麦克风的数据进行校准，第i个麦克风校正后的信号为：Yi(f)=sf[i]*Xi(f)。
2.根据权利要求1所述的麦克风阵列校准方法，其特征在于：所述步骤S2中选取的参考麦克风是任意一颗靠近阵列中心的麦克风、所有麦克风或靠近阵列中心部分麦克风求平均获得的参考麦克风。
3.根据权利要求1所述的麦克风阵列校准方法，其特征在于：所述步骤S1和K1中的麦克风阵列距离声源大于1米。
4.根据权利要求1所述的麦克风阵列校准方法，其特征在于：所述离散频率f根据应用场景稀疏选取。
5.根据权利要求1所述的麦克风阵列校准方法，其特征在于：所述二维DOA俯仰角和水平角θ f 通过到达角估计算法得出。
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