一种七元麦克风阵列的声源定位方法

摘要

本发明公开了一种七元麦克风阵列的声源定位方法，该方法建立了七元麦克风阵列模型与室内声场模型；利用该麦克风阵列接收室内声源语音信号，对接收的语音信号进行采集、滤波、加窗、谱减、倒谱处理；再利用相位变换加权广义互相关方法GCC-PHAT，得各麦克风之间的时间延迟；运用三维空间定位方法与坐标旋转数字式计算机方法，确定声源位置。本发明在混响、噪声等干扰信号存在的室内环境下，能准确确定声源位置，实时性强、准确性高，在语音信号处理领域有广泛的应用。

主权项

一种七元麦克风阵列的声源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在三维坐标系中，建立麦克风阵列模型，确定各麦克风在三维空间的位置；步骤二、对各麦克风接收到声源发出的语音信号s(t)进行采样，得到离散信号s(k)，t表示时间，k表示时间序列；步骤三、对步骤二所述的离散信号s(k)进行滤波、加窗、谱减、倒谱处理，得到纯语音时域信号x(k)；具体如下：(301)、将离散信号s(k)通过带通滤波器进行带通滤波后，得到带通信号；(302)、对(301)中所得带通信号用窗函数进行加窗处理，得到加窗信号s_w(k)；(303)、对(302)所得加窗信号s_w(k)用谱减法进行去噪处理，得到谱减信号X_w(f)，对X_w(f)作反傅里叶变换得到去噪时域信号x_w(k)；(304)、对去噪时域信号x_w(k)由倒谱法进行消除混响处理，得到纯语音时域信号x(k)；步骤四、对步骤三中的纯语音时域信号x(k)，利用相位变换加权广义互相关方法GCC‑PHAT计算第i个麦克风接收的经步骤三处理所得纯语音时域信号x_i(k)与三维坐标原点处第0个麦克风接收的经步骤三处理所得纯语音时域信号x₀(k)间的时延值τ_i，1≤i≤6且i为自然数，则互相关函数为$R_{x_0{x}_i}^{\left(g\right)}\left({\tau }_i\right)={\int }_{-\infty }^{+\infty }{\psi }_{PHAT}\left(f\right)X_0\left(f\right)X_i^{*}\left(f\right)e^{j2{\mathrm{\pi f\tau }}_i}df;$式中，f表示频率，e表示自然指数，X₀(f)表示纯语音时域信号x₀(k)的傅里叶变换，X_i^*(f)表示纯语音时域信号x_i(k)傅里叶变换的共轭，j为虚数单位，ψ_PHAT(f)为加权函数，且${\psi }_{PHAT}\left(f\right)=\frac{1}{\left|G_{x_0{x}_i}\left(f\right)\right|};$式中，为相关函数的功率谱，且$G_{x_0{x}_i}\left(f\right)={\int }_{-\infty }^{+\infty }{R}_{x_0{x}_i}\left({\tau }_i\right)e^{j2{\mathrm{\pi f\tau }}_i}{\mathrm{d\tau }}_i;$式中，表示x₀(k)与x_i(k)的互相关函数，则${\hat{\tau }}_i=\arg \max R_{x_0{x}_i}^{\left(g\right)}\left({\tau }_i\right),$其中argmax表示使取得最大值时${\tau }_i={\hat{\tau }}_i,$即为第0个麦克风与第i个麦克风所接收到信号的时延估计值；步骤五、利用三维空间定位方法，结合步骤四中的得声源到三维坐标原点的距离r：$r=\frac{6L^2-c^2\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}{\left({\hat{\tau }}_i\right)}^2}{2c\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}{\hat{\tau }}_i};$式中，c表示声速，L表示第i个麦克风位置M_i与三维坐标原点处第0个麦克风位置M₀间的距离；步骤六、利用坐标旋转数字式计算机方法，结合步骤四得到的得声源的俯仰角θ、方位角为其中，表示位置坐标为M₀(0,0,0)的第0个麦克风与位置坐标为M₁(L,0,0)的第1个麦克风所接收到信号的时延估计值，表示位置坐标为M₀(0,0,0)的第0个麦克风与位置坐标为M₂(0,L,0)的第2个麦克风所接收到信号的时延估计值，表示位置坐标为M₀(0,0,0)的第0个麦克风与位置坐标为M₃(‑L,0,0)的第3个麦克风所接收到信号的时延估计值，表示位置坐标为M₀(0,0,0)的第0个麦克风与位置坐标为M₄(0,‑L,0)的第4个麦克风所接收到信号的时延估计值，表示位置坐标为M₀(0,0,0)的第0个麦克风与位置坐标为M₅(0,0,‑L)的第5个麦克风所接收到信号的时延估计值，表示位置坐标为M₀(0,0,0)的第0个麦克风与位置坐标为M₆(0,0,L)的第6个麦克风所接收到信号的时延估计值；步骤七、根据直角坐标与球面坐标间的关系，声源位置的直角坐标为