专利名称：声源定位方法
技术领域：
本发明涉及一种声源定位方法，特别是机械声源信号的定位方法，尤其涉及一种 基于小波包分解去噪与独立分量分析的三维声源定位方法。
背景技术：
波达方向(DOA)估计是阵列信号处理的一个主要研究内容。DOA估计是为了确定 信号的方位，从接收数据中测出信号方向。不管信号是有用信号还是干扰信号，在DOA估计 方向图中都表现为峰值，而此峰值并不是实际阵列输出功率。在声学研究与应用中，阵列信 号处理技术得到广泛的应用，特别是在声源定位方面。声信号的阵列处理，首先需要借助声阵列获取多通道声信号。声阵列通常由多个 传声器(或麦克风)按照一定的拓扑结构组成，典型的声阵列包括线阵、方阵或圆阵等。可用于声源定位的方法有多种，传统的包括基于时延估计和波束形成的定位方 法、基于极大似然估计的定位方法以及近场声源定位技术。这些传统方法由于一些缺点和 局限性，已经被其他一些新的技术方法所取代。目前，应用较多较成熟的是基于多信号分类 (MUSIC)的声源定位方法，此外还有Sawada-ICA法。MUSIC是一种高分辨率的DOA算法，它首先由阵列接收的M维传感观测信号χ (t) 出发，计算其相关矩阵如下R = x(t) ‘ x(t)H (1)式中(·)H为共轭转置运算。然后，对所估计的相关矩阵R执行特征值分解，即
R二 VAVH
ν
M
v=K .
A = diag[\ ■■■ Am]
⑵ 式中Vk为特征向量(M维列向量)，Xk为特征向量Vk所对应的特征值(按从大到 小顺序排列，即A1^...彡λΜ·)。由此，可以构造如下的特征方程式 υφ) = X^Jyfm
(3)此方程的N个根即对应源信号方向θρ...，9,的估计。MUSIC方法的不足之处在于波达方向估计时要求一个传感器阵列中的传感器数目必须大于源数目。此外，估 计结果易受外来干扰噪声的影响，在强噪声干扰环境下甚至可能导致错误的估计结果。更新的方法是由日本人Sawada提出的基于独立分量分析(ICA)的DOA估计方 法-Sawada-ICA法。Sawada-ICA法假设声信号的混合为线性卷积混叠，即
x(0 = A(0*s(0 + n(0
N
或 χ奶人t_^+η々)
7=1
式中i = 1，· · ·，M，j = 1，· · ·，N。x(t) = {xi(t),x2(t),...，xM(t)}为已知的 M 维多通道混合声观测向量;A= {AU(Z)}为一个未知的MXN线性滤波器矩阵；s (t)为N维 未知的源向量且有s(t) = {Sl(t)，S2(t)，...，SN(t)}。huGO为从第j个源到第i个传感 器的脉冲响应函数，k为时间延迟变量。模型中假设无外加噪声成分。由于信号混合模型中假设无外加噪声，因此其信号采集必须在消声室或半消声室 中进行，以避免噪声干扰。N个声源信号混合并被一个由M个传声器(或麦克风)所组成的 一维线阵采集，经过模-数(A/D)转换后形成数字信号。Sawada-ICA法在时-频域进行，首 先对数字混合声观测信号进行短时傅立叶变换(STFT)，获得如下的时-频域混合观测
N
权利要求
一种声源定位方法，其特征在于，包括步骤a、根据实际应用环境，建立声源信号的混叠模型，所述混叠模型中包含有背景噪声成分；b、采用三维声测量阵列采集被测声源在X、Y、Z三个方向的混合声信号，并完成混合声信号的模数转化；c、对步骤b中采集到的混合声信号，进行消噪处理，获得干净的观测信号；d、对步骤c中获得的观测信号，进行信号处理，估计出被测声源的分离矩阵；e、由步骤d中的分离矩阵出发，利用矩阵求逆运算估计声源混合系统——频响矩阵；f、采用基于峰值检测的整体波达方向估计策略，一次性地获得对所有声源信号波达方向的准确估计；g、利用空间几何的相关知识，进行空间角度计算，最终实现声源信号的空间定位。
2.根据权利要求1所述的一种声源定位方法，其特征在于所述步骤a中的混叠模型 包括瞬时混叠模型和卷积混叠模型。
3.根据权利要求2所述的一种声源定位方法，其特征在于所述瞬时混叠模型的一种 线性瞬时混叠模型为χ(0 =sin ⑷)// ...sin( )//QjlTtdM sin⑷)// ... Qjlndu sin( )//a eM ... A ei<PNΛ\\ CΛΙΝ CA... Λ ^lffΛ\Ν CjlNN Cs(0 + n(0其中1为信号的波长，d, = AiI为传感器的空间物理位置，S(t)为声源信号，η(t)为 加性噪声。
4.根据权利要求2所述的一种声源定位方法，其特征在于所述卷积混叠模型的公式为x(0 = A(0*s(0 + n(0,N或 a(O=ΣΣΛ-幻+η·⑴-Mx(t) = {xi(t)，x2(t)，···，xM(t)}为已知的M维多通道混合声观测向量；A= (Aij(Z)I 为一个未知的MXN线性滤波器矩阵；s(t)为N维未知的源向量且有s(t) = {Sl(t)， s2(t)，...，sN(t)}。huGO为从第j个源到第i个传感器的脉冲响应函数，k为时间延迟变量。
5.根据权利要求1所述的一种声源定位方法，其特征在于所述步骤b中三维声测量 阵列为三维传声器阵列，所述传声器按X、Y、Z方向安装在测量架上，每个方向由2个以上的 传声器间隔排列组成。
6.根据权利要求1所述的一种声源定位方法，其特征在于所述步骤c采用小波变换 技术，消除噪声。
7.根据权利要求1所述的一种声源定位方法，其特征在于所述步骤c采用小波分解 技术，消除噪声。
8.根据权利要求1所述的一种声源定位方法，其特征在于所述步骤d，当获得的观测 信号适合瞬时混叠模型时，采用瞬时独立分量算法估计分离矩阵；当获得的观测信号适合声源卷积模型时，先进行时_频变换，然后采用瞬时独立分量算法估计分离矩阵。
9.根据权利要求1所述的一种声源定位方法，其特征在于所述步骤f中基于峰值检 测的整体波达方向估计策略，包括如下步骤fl、将步骤e中获得频响矩阵扩展，其表达式为
全文摘要
一种声源定位方法，包括建立声源信号的混叠模型、采用三维声测量阵列采集被测声源在X、Y、Z三个方向的混合声信号、消噪处理获得干净的观测信号、估计出被测声源的分离矩阵、获得频响矩阵、采用基于峰值检测的整体波达方向估计策略，一次性地获得对所有声源信号波达方向的准确估计及利用空间几何的相关知识，进行空间角度计算，最终实现声源信号的空间定位等步骤。克服了现有声源定位方法无法有效实现多个混叠声源的三维空间定位，存在定位方法使用不灵活、估计结果不稳定且精度较低、实用性不够好等问题。
文档编号G01S3/802GK101957443SQ20101020477
公开日2011年1月26日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者焦卫东 申请人:嘉兴学院