一種適用于空心球陣列的聲源定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于空心球陣列的聲源定位方法。該方法結合空心球陣列和最大似然估計的優點，在不影響空間聲場的情況下，使用最大似然估計策略，準確定位空間聲源方向。本發明的顯著優點在于：(1)將傳聲器接收到的信號變換到球諧域，可降低計算復雜度；(2)使用最大似然估計策略，能夠獲得較高的空間分辨率和定位準確度；(3)避免了球貝塞爾函數的除法，有效解決了空心球陣列在球貝塞爾函數零點對應頻率處魯棒性弱的問題；(4)可以直接擴展到寬帶，降低了球陣列寬帶定位算法擴展的復雜度，適用于混響聲場；(5)除了適用于空心球陣列以外，該方法同樣適用于剛性球陣列以及使用單指向傳聲器的球陣列。
【專利說明】
一種適用于空心球陣列的聲源定位方法 一、
技術領域
[0001] 本發明提出了一種適用于空心球陣列的聲源定位方法，結合空心球陣列和最大似 然估計的優點，在不影響空間聲場的情況下，使用最大似然估計策略，處理球諧域信號，避 免球貝塞爾函數除法，準確定位空間聲源方向，定位方法可有效擴展到寬帶信號的處理場 景。 二、
【背景技術】
[0002] 球形傳聲器陣列具有旋轉對稱結構，能夠設計指向空間任意方向的波束，被廣泛 應用在波達方向估計、房間脈沖響應分析、聲源定位以及房間結構預測中，為近年研究的熱 門話題。空心球陣列能夠在不影響測量聲場的情況下，獲得空間信息，因而更適用于實際應 用場景。
[0003] 文獻[I.Balmages&B.Rafaely，Open_sph ere designs for spherical microphone arrays]提出了一種使用雙層空心球陣列的結構，在聲源定位中，能夠避免球 貝塞爾函數零點處空心球陣列魯棒性較弱的問題，但是需要兩倍的傳聲器數目。文獻 [B.Rafaely，The spherical-shell microphone array]提出了一種球體陣列結構，能夠避 免球貝塞爾函數零點處空心球陣列魯棒性較弱的問題，但是傳聲器單元的半徑不固定，實 現車交為復雜。文南犬[B · Rafaely，Bessel nulls recovery in spherical microphone arrays for time-limited signals]在球陣列寬帶聲源定位時，跳過球貝塞爾函數零點對 應的頻率，魯棒性較高，但是方法靈活度較低。專利CN 102866385A和專利CN 103592628A分 別提出了一種基于球諧域子空間分解和一種基于球諧域實值權重波束形成的聲源定位方 法，可以應用于空心球陣列，并且獲得較高的空間分辨率，但是上述兩種方法并未擴展到寬 帶，不適用于混響聲場。
[0004] 本專利針對現有球陣列聲源定位技術的弱點，提出一種適用于空心球陣列的聲源 定位方法。 三、

【發明內容】

[0005] 發明目的：本發明提出來一種適用于空心球陣列的聲源定位方法，使用空心球陣 列，在不改變測量聲場的情況下，使用最大似然策略，準確定位聲源位置。
[0006] 技術方案:為達到上述發明的目的，本發明所提出的技術方案如下:將球形傳聲器 陣列接收到的時域信號，經過快速傅里葉變換和球諧變換，將信號變換到球諧域，使用最大 似然估計策略，避免球貝塞爾函數的除法，最終準確估計空間聲源的方向。
[0007] 本發明中信號在球諧域的表達式卩1?(1〇 = [?(),()(10，？1,-1(10，？1,()(10，？1,1(10，...， PN,N(k) ]T中每一項可以表不為：
[0009]其中，Ωq=(θq，φq)為第q個傳聲器的位置，θ和φ分別是空間仰角和方位角， p(k， Ω。)為頻域信號，Yn,m為η階m次球諧函數，k為波數，Q為傳聲器數目，N為球陣列階數，（· r表 示共輒。
[0010]本發明使用最大似然估計策略，進行單頻空間聲源定位，計算方法如下：
[0012] 其中，作表示偽逆，cU(k，W)為方向Ψ處的球諧域導向向量，可以表示為：
[0013] dr?(k,W)=B(k)y*(W) (3)
[0014] B(k) =diag{bo(k)，bi(k)，bi(k)，bi(k)，· · ·，bN(k)} (4)
[0015] γ(Ψ) = [Υ0,0(Ψ),Υι,-ι(Ψ),Υι,0(Ψ),Υι,ι(Ψ), . . . ,Υν,ν(Ψ)]Τ (5)
[0016] 對于空心球陣列1^(1〇=4對％(1?1)，九(1?1)為n階球貝塞爾函數，a為球陣列半徑。 公式(2)為單頻聲源定位方法，回避了球貝塞爾函數匕(1〇的除法，解決的匕(1〇零點對應頻 率處魯棒性弱的問題。
[0017] 在混響聲場中，寬帶空間聲源定位往往會有更好的準確性，本發明的定位方法可 以很容易地擴展到寬帶場景，定位方法如下：
[0019] 式中，kmi4Pkmax分別表示最低頻率和最高頻率對應的波數。
[0020] 本發明提出的聲源定位方法，適用于多種陣列形式，如空心球陣列、剛性球陣列和 使用單指向傳聲器的球陣列。 四、
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明提出的聲源定位方法的流程圖
[0022] 圖2是本發明在消聲室中聲源定位實驗結果(a)單頻(b)寬帶
[0023] 圖3是本發明在視聽室中聲源定位實驗結果(a)單頻(b)寬帶 五、
【具體實施方式】
[0024] 附圖1是使用本發明提出的聲源定位方法的流程圖，對傳聲器接收到的時域信號 進行分幀，對每幀信號做快速傅里葉變換，獲得頻域信號P(k，Q q)，對頻域信號進行球諧變 換，獲得球諧域信號p?(k)，球諧變換可以表示為：
[0026] 其中，Ωq=(θq，φq)為第q個傳聲器的位置，θ和φ分別是空間仰角和方位角， p(k， Ω。)為頻域信號，Yn,m為η階m次球諧函數，k為波數，Q為傳聲器數目，N為球陣列階數，（· Γ表 示共輒。
[0027] 使用最大似然策略，進行單頻空間聲源定位，計算方法如下：
[0029] 其中，印表示偽逆，cU(k，W)為方向Ψ處的球諧域導向向量，可以表示為：
[0030] cU(k，W)=B(k)y*(W) (9)
[0031] B(k) =diag{bo(k)，bi(k)，bi(k)，bi(k)，· · ·，bN(k)} (10)
[0032] γ(Ψ) = [Υ0,0(Ψ),Υι,-ι(Ψ),Υι,0(Ψ),Υι,ι(Ψ), . . . ,Υν,ν(Ψ)]Τ (11)
[0033] 對于空心球陣列1^(1〇=4對％(1?1)，九(1?1)為n階球貝塞爾函數，a為球陣列半徑。
[0034] 對于混響聲場，使用單頻聲源定位誤差較大，本發明提出的聲源定位方法可以直 接擴展到寬帶，使用最大似然估計策略，進行寬帶空間聲源定位，計算方法如下：
[0036]式中，kmi4Pkmax分別表示最低頻率和最高頻率對應的波數。
[0037] 使用本發明提出的聲源定位方法，分別在消聲室和視聽室中進行了實驗，實驗中 使用一個8單元均勾分布空心球陣列，球陣列半徑為13.9cm，球諧分解展開階數N=1，每幀 時域信號幀長K = 1024,采樣頻率為fs = 16kHz，單頻信號頻率滿足ka = l，寬帶信號為白噪 聲，寬帶聲源定位時使用的頻率范圍kae [0. 5，1 ]。圖2給出了消聲室中聲源定位實驗結果， 圖中黑色圓圈表示實際聲源位置，可以看出消聲室中，使用單頻和寬帶定位方法，均可以獲 得較好的聲源定位結果，對于一個l〇s的寬帶信號，定位的均方根誤差為〇.58°。圖3給出了 試聽室中聲源定位實驗結果，圖中可以看出試聽室中，由于混響的存在，使用單頻定位方法 無法準確定位聲源的方向，而使用本發明提出的寬帶聲源定位方法，可以準確定位聲源的 方向。對于一個10S的寬帶信號，定位的均方根誤差為4.43°。
[0038] 本實施例只給出了空心球陣列的相關結果，而本發明提出的聲源定位方法同樣適 用于剛性球陣列和使用單指向傳聲器的球陣列。
【主權項】
1. 一種適用于空屯、球陣列的聲源定位方法，其處理方法包含如下步驟：（1)根據空屯、球 陣列中傳聲器的位置，W及傳聲器接收到的時域信號，通過快速傅里葉變換和球諧變換，獲 得信號在球諧域的表達式Pn"化）；第二步、根據信號在球諧域的表達式Pn"(k)，W及空間任 意一個方向Ψ處的球諧域導向向量CU化，Ψ )，使用最大似然估計策略，獲得波數k對應頻率 (k=2村/C，C表示聲速，f表示頻率）下的定位結果；第Ξ步、根據設定的波數上下限kmin和 kmax，將算法擴展到寬帶，獲得寬帶下的定位結果。2. 如權利要求1所述的一種適用于空屯、球陣列的最大似然聲源定位方法，其特征在于： 信號在球諧域的表達式Pnm化）= [P〇,日化），P1,-1化），P1,日化），P1,1化），...，PN,^k)]T中的每一 項可W表示為：(1) 其中，Ω q= (Θ。，Φ q)為第q個傳聲器的位置，Θ和Φ分別是空間仰角和方位角，P化，Ω q) 為頻域信號，Yn,m為η階m次球諧函數，k為波數，Q為傳聲器數目，N為球陣列階數，（· Γ表示 共輛。3. 如權利要求1所述的一種適用于空屯、球陣列的聲源定位方法，其特征在于:使用最大 似然估計策略，避免球貝塞爾函數的除法。4. 如權利要求1所述的一種適用于空屯、球陣列的聲源定位方法，其特征在于:單頻信號 聲源定位計算方法如下：(2) 其中，表示偽逆，dnm化，Ψ)為方向Ψ處的球諧域導向向量，可W表示為： dnm化，Ψ)=Β(1〇/(Ψ) (3) B(k)=diag{bo(k)，bi(k)，bi(k)，bi(k)，. . .，bN(k)} (4) 7(Ψ) = [Υο'ο(Ψ)，Υι'-ι(Ψ)，Υι'ο(Ψ)，Υι'ι(Ψ)，...，化'Ν(Ψ)]τ (5) 對于空屯、球陣列bn化）=仙門。化a), jn化a)為η階球貝塞爾函數，a為球陣列半徑。5. 如權利要求1所述的一種適用于空屯、球陣列的聲源定位方法，其特征在于：寬帶信號 聲源定位計算方法如下：(6) 式中，kmin和kmax分別表示最低頻率和最高頻率對應的波數。 6 .如權利要求1所述的一種適用于空屯、球陣列的聲源定位方法，其特征在于:該方法適 用于多種陣列形式，如空屯、球陣列、剛性球陣列和使用單指向傳聲器的球陣列。
【文檔編號】G01S5/20GK106093866SQ201610367282
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】胡玉祥, 盧晶
【申請人】南京大學