基于麦克风阵列的现有声源定位技术有_阵列原理

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1、()cosiiiiettH，则有：cos()ex()()cosjiijijjiijretjkrretr()由于()()cos()cosex()jjijjijjjjiettHtHjkrr()将式()代入式()可得：cos()()cosjijijijjiijijirryrretetrryrr()故()()jiijijjiretrret()第章基于时间延迟的定位方法设每个信号与参考信号之间的时间延迟为i,则由近场模型方向角估计公式可求得近似方向角m。用m表示该比例系数对估计方向角的修正，即*mmmr()用该方法得到方向角m比原有的方法更接近于实际的角度。为验证这种方法的正确性，模拟仿真如图所示。从图中可以看

2、章基于时间延迟的定位方法的方向角。则在近场模型下，估计出的方向角如表所示：表声源方向角估计TableSoundSourceDOAestimates方向角距离m在各个距离和角度下，估计出的方向角与理论上的方向角的绝对误差如图所示。理论方位角(单位：)实际测量方位角与理论方位角的误差(单位：)R=mR=mR=mR=mR=m图近场球面波前方向角误差曲线FigNearfieldshericalwavefrontdirectionangleerrorcurve从图中可看出，在方向角为，距离为cm时，所测方向角具有燕山大学工学硕士学位论文较大的误差(最大为)，随着角度的增大误差逐渐减小，当角度增大到一定度数时，误差变化较小。此外，从图中还可以看出，随着声源与麦克风阵列距离的增大，误差具有明显的下降

3、但到一定距离时，误差变化也非常小。这表明，虽然是近场情况下，但对声源与麦克风阵列之间的距离也有一定的要求，距离太近则误差较大，距离太远则超出近场条件，阵列模型逐渐转向远场模型。为使测量结果具有较小的误差，声源与麦克风阵列之间的距离应不大于mind。算法改进由于在近场情况下，到达波前为球面波，不但需要考虑麦克风接收信号的相位差，还要考虑信号的幅度差异。近场情况下，按原有方向角估计算法估计出的方向角存在较大的误差，故提出一种改进方法。已有文献提出在近场情况下，每个麦克风接收信号的电压比等于声源到每个麦克风之间的距离倒数比的平方[]，故提出以声源到每个麦克风之间的距离与参考距离(声源到阵列中心)倒数的比，即每个接收信号电压比的平方根作为对所估计角度的修正因子。设每个麦克风接收信号的电压为(

4、应该有一点jL上某一点的距离很近，把这两点记为ijS和jiS，这两点可以看作是声源的近似估计点。此外根据时延估计的方差，可设定ijS和jiS的权值为ijW和jiW，通过这些点的线性插值即可估计出声源的位置ˆLIS，即ˆMMjkjkjkkjLIMMjkjkkjwSSw()通过适当的改进，线性插值法也可用于多个声源的定位。对由线性插值法产生的点ijS，可用聚类的算法(ISODATA)算法来确定多个声源的位置。ISODATA算法与K均值算法有相似之处。即聚类中心同样是通过ijS均值的迭代运算来决定的，但ISODATA算法还加入了一些试探步骤，能自动的燕山大学工学硕士学位论文进行类的合并和分裂，从而得到类数较合理的聚类结果，从而实现了多个声源定位。声源方向角估计的模拟仿真

5、略。在时延估计部分采用第二章中提到的互功率谱相位法估计时间延迟，然后用角度距离法定位出声源的位置。算法部分的程序均在ADS集成开发编程环境下，使用C语言编写完成。本实验装置具有较高的定位精度，并适于实时确定声源的位置。声源定位装置的硬件部分和软件部分如下面所述。声源定位实验系统硬件结构设计本文所设计的声源定位实验系统硬件结构由声源、个按一定位置放置的麦克风、前置放大电路、一块具有个AD采样通道并可进行计算的EasyARM实验板、RS串口通讯线和上位机等几个模块组成。图是该声源定位实验系统的原理框图。声源发出音频信号四个麦克风组成线性阵列接收信号EasyARM实验板进行AD采样并计算显示声源方向角将计算结果串口发送到上位机图声源定位系统硬件结构框图FigSourcesoundlocali

6、：xddrrr()xddrrr()第章基于时间延迟的定位方法两式相加可得：()arrrrr()球形插值法球形插值法根据多个麦克风对的时间延迟求得一组方程，并在满足最小均方误差准则下解这个方程组。下面给出详细的推导过程。首先给出麦克风imic、jmic和声源S的几何关系图如图所示。在图中，iiRr，ssRr，ir是jmic到imic的矢量，sr是jmic到声源S的矢量，ijd是声源S到麦克风imic和jmic间的距离差(由时延算法估计时间延迟再乘以声速)。声源SX轴Y轴jmicimicsijRdsRiR图麦克风和声源的几何关系图FigGeometricrelationshisdiagrambetweenmicrohoneandsource由矢量几何和三角形三边

7、给出了麦克风阵列结构设计的一般原则。然后讨论了几种基于时间延迟的定位方法。最后针对其中的一种方法进行了模拟仿真并提出了修正方法。根据选用模型(远场模型还是近场模型)合理的选择声源与麦克风阵列之间的距离对正确估计方位角是十分重要的。燕山大学工学硕士学位论文第章近场声源定位实验通过前几章对各种时延估计方法和定位方法的详细讨论，本章以嵌入式系统为基础，开发了一个简单可行的二维声源定位实验装置。该实验系统使用个全指向麦克风、路前置放大电路及EasyARM实验板的个AD采样端口一起组成了一个路同步声音采集系统，并在EasyARM实验板中植入声源定位算法程序，就构成了一个完整的二维声源定位系统实验装置。在该实验装置中，嵌入了一种适合实时，且具有较高精度的定位算法。该算法采用时延估计、几何定位两阶段

8、r。而如果给定sR，则该方程相对于sr是线性的；反之，如果给定sr，则该方程相对于sR也是线性的。因此该方程的求解必需分为两步，首先假设给定sR，可以求得当*swsrSRd时，式()的均方误差为最小，其中*TTwSSSS。然后将sr代入式()，可求得sR。将sR代入*swsrSRd中，即可得到线性最小均方意义下声源的估计值ˆsr。线性插值法线性插值法的基本麦克风摆放如图所示。声源X轴Y轴Z轴micmicmicmicOjL方向线第章基于时间延迟的定位方法图线性插值法的麦克风摆放结构FigMicrohonelacedstructurewithlinearinterolationmethod其中麦克风mic和mic的连线与mic和mic的连线相互垂直平分，原点

9、节将应用角度距离定位法确定二维平面中近场声源的方向角。在这里为简化方向角估计过程，假定所给出的声源与麦克风阵列的距离是已知的。仿真条件与结果计算机仿真中，假定由个麦克风组成等间距线阵列接收近场声源发出的声音，如图所示。球面波rirdxy),(rP声源图二维平面麦克风阵列近场模型FigDmicrohonearraynearfieldmodel设声源发出的声音信号为Hz的单频正弦波信号，麦克风接收到的信号为该声音信号与高斯白噪声叠加后的信号。设采样频率sf=KHz，阵元间距d=cm，声源与麦克风阵列(参考麦克风)之间的距离R分别设为m、m、m、m和m，声源与麦克风阵列的夹角分别设为、、、、和。仿真中采用互功率谱相位法来估计麦克风～之间的时间延迟，采用上一节中提到的角度距离法来估计声源

10、关系可得：TsijiissRdRrrR()将上式展开并整理得：TiijsisRdRrr()由于ijd是通过估计时延得到的，自然ijd与实际值相比有一个偏差，因此上式不为零，其误差为：TiijsisRdRrr()燕山大学工学硕士学位论文假设有M个麦克风，记为(，，，M)，则可以估计出第(，，M)个麦克风到第个麦克风的距离差，从而根据式()得到M个方程，将这些方程写成矩阵形式，可得下式：srsεδRdS()式中：()MMRdRdRdδ；()Mdddd；MMMxyzxyzxyzS。由于sR和sr的非线性关系，这样若将ssRr带入()式，就不能给出线性最小均方意义下的声源的估计值ˆ

11、，用该方法改进后的误差下降程度虽然较小，但与改进前相比，在所有测量角度上，误差都有所减小。随着距离的增大，误差减小程度也逐渐变小。这是由于随着距离的增大，球面波前逐渐转化为平面波前，平面波前只需考虑接收信号的相位差而将各接收信号的幅度近似相等，故误差减小程度也有所下降。理论方位角(单位：)实际测量方位角与理论方位角的误差(单位：)R=mR=mR=mR=mR=m图改进前后近场球面波前方向角误差曲线FigNearfieldshericalwavefrontdirectionangleerrorcurveafterimroving燕山大学工学硕士学位论文本章小结本章首先讨论了基于麦克风阵列的近场和远场模型。当声源与阵列的距离较远时，该近场模型可以简化为远场模型。其次讨论了麦克风阵列的拓扑结构

12、O。当声源离麦克风距离比较远时，根据第二章中的方向角估计的近似可得：cosmicmicmicmicdD()cosmicmicmicmicdD()式中：micmicd是声源到麦克风mic和mic的距离差(等于时延乘以声速)；micmicd声源到麦克风mic和mic的距离差；micmicD是麦克风mic和mic间的距离；micmicD麦克风mic和mic的距离。由空间解析几何可知，声源就在由角和角唯一确定的直线jL上。用线性插值法实现声源的定位需要多组如图摆放的麦克风。当有多个这样的麦克风对时，就可以得出多条这样的方向线，这些直线的交点就应该是声源的位置。但由于micmicd和micmicd估计不准和采样的限制，直线往往不能相交于一点。假设有两条这样不相交的方向线和jL，在iL