基于传声器阵列的自动声源定位方法

    传声器阵列声源定位方法主要分为3类.第一类是基于最大输出功率的可控波束形成技术[1],它是对传声器阵列接收到的信号进行滤波及加权求和,然后直接控制传声器阵列的波束,使其指向有最大输出功率的方向;第二类是基于高分辨率谱估计技术[2-3],通过求解传声器阵列接收到的信号之间的相关矩阵来定出声源方向;第三类是基于声波到达时间差(TDOA)技术[4-7],利用声音到达不同位置传声器的时间差来定出声源方向.与前两种方法不同,该方法由两个阶段组成,即首先估计时间延迟,然后计算出声源位置.该方法的运算量较小,易于实时处理[5].

    获得时间延迟后,采用非线性最小均方误差准则可估计出声源位置[5].由于目标函数是非线性函数,因此采用常规的优化方法时易陷入局部极值点,从而影响声源定位的精度.Tabu搜索算法是模拟人的记忆过程的并行确定性全局优化算法.在文献[8]中将Tabu搜索用于寻找活动的声源,本文将Tabu搜索算法用于室内声源定位中.其基本思路是首先用互功率谱相位的时延估计方法计算传声器对间信号的时间延迟,然后应用Tabu搜索算法搜索最佳声源位置.采用该项技术是为了避免在声源搜索过程中常规的搜索方法易陷入局部最小点这一问题.

    1 基于互功率谱相位的时间延迟估计

    两个传声器信号s1(t)和s2(t)之间的互功率谱函数G(X)为

    对信号s1(t)和s2(t)进行前置滤波,得到归一化互功率谱函数5(X)为:

    对5(X)进行傅里叶反变换:

    C(S)就是相关函数,在延迟DC= t1-t2处有极大值点.

    互功率谱相位时延估计法虽然是针对式(2)表示的理想模型提出的,但在弱噪声和弱混响的环境下,它仍具有比较好的时延估计性能.

    从图1可以看出,计算出第i对传声器信号si1(t)和si2(t)之间的时延估计值DCi后,可由式(4)计算出声波到达方向角

    式中c是声音传播速度,d是两个传声器之间的距离,由此而产生的误差,可以看出,当声源与传声器对间的距离较远时,$HiU0.

    2 基于Tabu搜索的声源定位方法

    2.1 声源定位问题的描述

    图2中12只全向传声器,分为4组,每组呈/40字形排列,分别放在房间的四面墙壁上;每组传声器中,水平和垂直放置的两只传声器分别用于测定传声器组水平和垂直基线与两基线交点到声源方向线的夹角H和U.由每组传声器中两基线交点的坐标与获得的方向角H及U,可以在空间中惟一地确定一条方向线;用优化方法在空间中找到一点,使这点到四条方向线距离的平方和最小,这点即为声源的估计值.