一种室内声源定位系统定位室内声源的方法

摘要

一种室内声源定位系统及采用该系统定位室内声源的方法，涉及声源定位技术。它是为了解决由于遮挡或声源目标发声朝向带来的定位盲区，不同应用背景下对定位精度的不同要求自适应调整系统运算的复杂度，精度不高等问题。本发明通过合理将声音传感器分布到三维立体空间，将传感器之间捕获的信号时间序列进行相关运算得到到达时间差，利用得到的时间差，解算声源定位模型得到对声源的三维立体定位结果；通过合理的传感器分布可以很好避免声源定位的盲区出现。本发明适用于诸多室内对声源目标的定位。

主权项

一种室内声源定位系统定位室内声源的方法，并采用以下装置实现，该装置包括第一声音传感器(S₀)、第二声音传感器(S₁)、第三声音传感器(S₂)、第四声音传感器(S₃)、第五声音传感器(S₄)、第一信号调理电路(1)、第二信号调理电路(2)、第三信号调理电路(3)、第四信号调理电路(4)、第五信号调理电路(5)、第一A/D转换模块(6)、第二A/D转换模块(7)、第三A/D转换模块(8)、第四A/D转换模块(9)、第五A/D转换模块(10)、声源检测模块(11)、时差模块(12)、定位模块(13)、参数控制模块(14)和增益控制模块(15)；第一声音传感器(S₀)的信号输出端连接第一信号调理电路(1)的信号输入端，所述第一信号调理电路(1)的信号输出端连接第一A/D转换模块(6)的信号输入端；第二声音传感器(S₁)的信号输出端连接第二信号调理电路(2)的信号输入端，所述第二信号调理电路(2)的信号输出端连接第二A/D转换模块(7)的信号输入端；第三声音传感器(S₂)的信号输出端连接第三信号调理电路(3)的信号输入端，所述第三信号调理电路(3)的信号输出端连接第三A/D转换模块(8)的信号输入端；第四声音传感器(S₃)的信号输出端连接第四信号调理电路(4)的信号输入端，所述第四信号调理电路(4)的信号输出端连接第四A/D转换模块(9)的信号输入端；第五声音传感器(S₄)的信号输出端连接第五信号调理电路(5)的信号输入端，所述第五信号调理电路(5)的信号输出端连接第五A/D转换模块(10)的信号输入端；第一A/D转换模块(6)、第二A/D转换模块(7)、第三A/D转换模块(8)、第四A/D转换模块(9)和第五A/D转换模块(10)的信号输出端分别连接声源检测模块(11)的五个声音检测信号输入端，所述声源检测模块(11)的一个声音检测控制信号输出端连接时差模块(12)的一个信号输入端，声源检测模块(11)的另一个声音检测控制信号输出端连接增益控制模块(15)的控制信号输入端，增益控制模块(15)的控制信号输出端同时连接第一信号调理电路(1)的增益控制信号输入端、第二信号调理电路(2)的增益控制信号输入端、第三信号调理电路(3)的增益控制信号输入端、第四信号调理电路(4)的增益控制信号输入端和第五信号调理电路(5)的增益控制信号输入端，所述时差模块(12)的信号输出端连接定位模块(13)的一个信号输入端；参数控制模块(14)的一个信号输出端连接时差模块(12)的另一个信号输入端，参数控制模块(14)的另一个信号输出端连接定位模块(13)的另一个信号输入端；第二信号调理电路(2)、第三信号调理电路(3)、第四信号调理电路(4)、第五信号调理电路(5)和第一信号调理电路(1)的内部电路结构相同，其中第一信号调理电路(1)由滤波电路、PGA电路和信号保持电路组成；滤波电路的信号输入端为第一信号调理电路(1)的信号输入端，所述滤波电路的信号输出端连接PGA电路的信号输入端，所述PGA电路的信号输出端连接信号保持电路的信号输入端，所述信号保持电路的信号输出端为第一信号调理电路(1)的信号输出端，其特征在于：步骤一、将第一声音传感器(S₀)、第二声音传感器(S₁)、第三声音传感器(S₂)、第四声音传感器(S₃)和第五声音传感器(S₄)放置于待测声源所在室内一个虚拟长方体(Cube)的5个顶点上，其中：第一声音传感器(S₀)、第二声音传感器(S₁)和第三声音传感器(S₂)分别位于长方体(Cube)顶面的三个顶点O、A和B处，这三个顶点O、A和B构成一个直角三角形，第一声音传感器(S₀)所在顶点O为该直角三角形的直角所对应的顶点，与顶点A位于同一条边的长方体(Cube)底面顶点C放置第四声音传感器(S₃)，与顶点B位于同一条边的长方体(Cube)底面顶点F放置第五声音传感器(S₄)；以顶点O做为坐标原点、顶点O和顶点B的连线作为为X轴、以顶点O和顶点A的连线作为Y轴，构成右手螺旋空间直角坐标系，OA的长度为D01，OB的长度为D02，AC的长度为D13，BF的长度为D24，D01大于0且小于20m，D02大于0且小于20m，D13大于0且小于5m,D24大于0且小于5m且D13＝D24；步骤二、利用时差广义相关方法根据五个声音传感器采集的声音信号获得同一声源信号不同时延后的四个时延差，所述四个时延差为：第一声音传感器(S₀)捕获的声音信号和第二声音传感器(S₁)捕获的声音信号进行相关运算获得的时延差、第一声音传感器(S₀)捕获的声音信号和第三声音传感器(S₂)捕获的声音信号进行相关运算获得的时延差、第二声音传感器(S₁)捕获的声音信号和第四声音传感器(S₃)捕获的声音信号进行相关运算获得的时延差、第三声音传感器(S₂)捕获的声音信号和第五声音传感器(S₄)捕获的声音信号进行相关运算获得的时延差；参数控制模块(14)设定的定位精度参数进行计算后得到时间步进参数，将时间步进参数传递给时差模块(12)；参数控制模块(14)设定的迭代误差参数和迭代次数参数进行计算得到迭代误差阈值和迭代次数阈值，将迭代误差阈值和迭代次数阈值传递给定位模块(13)；参数控制模块(14)设定的空间位置参数传递给定位模块(13)；以上述得到的时间步进参数、迭代误差阈值和迭代次数阈值，将第一声音传感器(S₀)和第二声音传感器(S₁)捕获的声音信号进行相关运算得到相关值，搜索最大相关值，该最大相关值对应的相关时间长度就是第一声音传感器(S₀)和第二声音传感器(S₁)之间的时延差；第一声音传感器(S₀)和第三声音传感器(S₂)捕获的声音信号进行相关运算得到相关值，搜索最大相关值，该最大相关值对应的相关时间长度就是第一声音传感器(S₀)和第三声音传感器(S₂)之间的时延差；第二声音传感器(S₁)和第四声音传感器(S₃)捕获的声音信号进行相关运算得到相关值，搜索最大相关值，该最大相关值对应的相关时间长度就是第二声音传感器(S₁)和第四声音传感器(S₃)之间的时延差；第三声音传感器(S₂)和第五声音传感器(S₄)捕获的声音信号进行相关运算得到相关值，搜索最大相关值，该最大相关值对应的相关时间长度就是第三声音传感器(S₂)和第五声音传感器(S₄)之间的时延差；步骤三、利用拟Newton方法根据步骤二获得的同一声源信号不同时延后的四个时延差、五个声音传感器采集的声音信号和五个声音传感器的空间位置分布获得声源位置，按照传感器的空间位置分布和声源到达每个传感器的时间差构成定位方程组，通过迭代，得到定位解，计算前后两次的定位结果的欧氏距离；当两次的定位结果欧氏距离小于步骤二所述的迭代误差阈值，迭代解收敛到了声源位置；否则当迭代次数大于步骤二所述的迭代次数阈值，重新采集五个声音传感器的声音信号，重复步骤二，直到获得声源位置为止。