基于麥克風(fēng)陣列聲源定位的發(fā)展歷程及關(guān)鍵技術(shù)

1、基于麥克風(fēng)陣列聲源定位的開展歷程及關(guān)鍵技術(shù)基于麥克風(fēng)陣列聲源定位的開展歷程及關(guān)鍵技術(shù)一、開展歷程 二、聲源定位關(guān)鍵技術(shù)基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位是指用麥克風(fēng)拾取聲音信號，通過對麥克風(fēng)陣列的各路輸出信號進(jìn)展分析和處理，得到一個或者多個聲源的位置信息，其使用的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面。2.1 模型的建立麥克風(fēng)陣列的陣元按一定的方式布置在空間不同的位置上組成陣列，陣列可以接收空間傳播信號，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘柼幚硖崛∷璧男盘栐春托盘枌傩缘刃畔ⅰｊ嚵邪搓囋诳臻g分布形式的不同，可以分為任意離散陣、直線陣、平面陣、圓弧陣和均勻圓陣。不同的陣列模型有各自的優(yōu)缺點(diǎn) ，可以用來處理不同的實(shí)際情況。均勻直線陣由于構(gòu)造簡

2、單，并且同時間序列的均勻采樣完全對應(yīng)，可以采用絕大多數(shù)基于時間序列的算法，因此受到很大的重視，應(yīng)用也非常廣泛。然而均勻直線陣列也有很多局限性，不適宜多波束的形成，不能直接用于180deg;范圍內(nèi)的定位，往往是利用多個陣列組合定位，但增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)本錢，而且在麥克風(fēng)陣列的算法處理中也需要進(jìn)展切換。平面陣雖然可以在整個平面對目的進(jìn)展測向，但對于低空甚至是超低空飛行的目的來說，由于在z軸方向沒有基元，測向精度受到限制。均勻圓陣是陣元均勻分布在一個圓環(huán)上的圓形陣列，方向增益根本一致，可以提供360deg;的方位信息，但其對應(yīng)一個二維空間，在時域無法找到對應(yīng)的采樣定理，會給算法實(shí)現(xiàn)帶來費(fèi)事，并且

3、由于其圓對稱性，均勻圓形陣列對相干聲源的解算才能比擬弱。但因其不需扇區(qū)切換，處理較為容易。三維陣列構(gòu)造較復(fù)雜，可以選擇的算法不是非常豐富，實(shí)現(xiàn)本錢較高，但是對整個三維空間定位性能好，適用于需要對整個三維空間定位的系統(tǒng)。在利用麥克風(fēng)陣列進(jìn)展聲源定位時，必須各個麥克風(fēng)陣元之間的相對位置關(guān)系。不同的陣型構(gòu)造對算法精度的影響也非常大，因此需針對不同的應(yīng)用環(huán)境選擇與之相對應(yīng)的陣列構(gòu)造。特別是對多個聲源目的進(jìn)展定位時，過小的陣列口徑會極大地影響陣列的應(yīng)用范圍。因此，要根據(jù)不同的應(yīng)用需求選取不同的陣列模型。2.2 算法的選取麥克風(fēng)陣列接收的聲音信號本身就是復(fù)雜的信號，因此聲源定位算法必須可以適應(yīng)信號的各種特

4、性。不同的聲源信號，采取的定位算法也可能不同：例如，在對說話人進(jìn)展定位時，由于拾取到的語音信號沒有經(jīng)過調(diào)制，也沒有載波，陣列之間的時延和相位差與信號源的頻率關(guān)系親密，此時麥克風(fēng)陣列處理的信號應(yīng)該看做是一個寬帶信號，而傳統(tǒng)的定位算法是對窄帶而言的。下面就兩種經(jīng)典的算法進(jìn)展比擬。MUSIC算法的根本思想是將任意陣列輸出的協(xié)方差矩陣進(jìn)展特征分解，得到互相正交的信號子空間和噪聲子空間，然后利用兩者的正交性進(jìn)展DOA估算。MUSIC算法對波達(dá)方向的估計(jì)性能很好，可以高分辨地準(zhǔn)確表現(xiàn)各信號的波達(dá)方向，假設(shè)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)長度足夠長或信噪比足夠高，且信號模型準(zhǔn)確的話，MUSIC算法可以得到任意精度的波達(dá)方向估

5、計(jì)值。但是MUSIC算法是以信號子空間和噪聲子空間可以準(zhǔn)確得到為前提，假設(shè)信噪比低或樣本數(shù)不夠，MUSIC算法的分辨率會大幅下降?；跁r延估計(jì)TDOA的聲源定位法在運(yùn)算量上優(yōu)于其他方法，實(shí)時性好，可以在實(shí)際中低本錢實(shí)現(xiàn)，但也有缺乏之處：其一是估計(jì)時延和定位分成兩階段來完成，因此在定位階段用的參數(shù)已經(jīng)是對過去時間的估計(jì)，這在某種意義上只是對聲源位置的次最優(yōu)估計(jì)；其二是時延定位的方法比擬適宜于單聲源的定位，而對多聲源的定位效果就不好；其三在房間有較強(qiáng)混響和噪聲的情況下，往往很難獲得準(zhǔn)確的時延，從而導(dǎo)致第二步的定位產(chǎn)生很大的誤差；其四是由于陣列構(gòu)造和系統(tǒng)采樣率等條件的限制，其定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與超分辨

6、類算法相比。任何一種算法都不可能適用于所有情況，我們在不斷完善算法，優(yōu)化其性能的同時，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境來選擇最正確算法，從而到達(dá)最正確效果。三、麥克風(fēng)陣列處理的難點(diǎn)采用多個麥克風(fēng)構(gòu)成一個麥克風(fēng)陣列，在時域和頻域的根底上增加一個空間域，對接收到的來自空間不同方向的信號進(jìn)展空時處理，這就是陣列麥克風(fēng)信號處理的核心思想。陣列信號處理理論的完善和開展，促進(jìn)了基于陣列麥克風(fēng)的信號處理理論的開展。很多用于陣列信號處理的新算法、新技術(shù)和新體系，都可以用于陣列麥克風(fēng)?？梢哉f，陣列信號處理理論的開展為陣列麥克風(fēng)的研究帶來了新的契機(jī)4?；邴溈孙L(fēng)陣列的語音信號處理是陣列信號處理的一種，但它又不同于傳統(tǒng)的陣列信

7、號處理，其主要技術(shù)難點(diǎn)如下：3.1 麥克風(fēng)陣列模型的建立麥克風(fēng)主要用于處理語音信號，同時陣列麥克風(fēng)的拾音范圍都有限，因此，聲源大都位于麥克風(fēng)陣列近場范圍內(nèi)。這使得傳統(tǒng)陣列處理，如雷達(dá)、聲納等，所用的平面波前遠(yuǎn)場模型不再適用，必須使用更為準(zhǔn)確的球面波前模型5。球面波前模型必須考慮由于傳播途徑不同所帶來的幅度衰減的不同，即除了信號的到達(dá)方向外，還需要考慮聲源與陣列之間的間隔 。所以，進(jìn)展麥克風(fēng)陣列研究，必須建立適用于麥克風(fēng)陣列的近場模型。3.2 陣列寬帶信號的處理傳統(tǒng)的陣列處理的信號一般是窄帶信號。陣元之間接收到的信號的時延和相位差主要由載波確定。在麥克風(fēng)陣列處理中，信號沒有經(jīng)過調(diào)制，也沒有載波由

8、于語音信號的最高頻率和最低頻率之比很大，這導(dǎo)致一樣的時間延遲卻有不同的相位差，陣元之間接收到的信號的時延和相位差由信號源的特性來決定。麥克風(fēng)接收到的語音信號頻率一般在3003000Hz之間，陣列之間的時延和相位差與信號源的頻率關(guān)系親密。因此，麥克風(fēng)陣列處理的信號可以看成是一個寬帶信號，這使得陣列處理更加困難。3.3 非平穩(wěn)信號的處理傳統(tǒng)的陣列處理的接收信號一般為平穩(wěn)信號，而麥克風(fēng)陣列中的接收信號為非平穩(wěn)的語音信號。語音信號可以看成是在20ms 40ms的時間內(nèi)是近似平穩(wěn)的，即語音信號具有短時平穩(wěn)性。結(jié)合上面的寬帶情況，麥克風(fēng)陣列處理一般先把接收信號經(jīng)過一個短時傅立葉變換，求出其短時譜，然后在頻

9、域進(jìn)展處理。每一頻率對應(yīng)一 :/wWw.LWlm 個相位差。麥克風(fēng)陣列的信號處理是將寬帶信號在頻域上分成多個子帶，對每一個子帶應(yīng)用傳統(tǒng)的窄帶處理，從而得到接收信號的空間譜。3.4 混響的影響傳統(tǒng)的陣列信號處理中，噪聲和信源通常是不相干的而麥克風(fēng)陣列多位于室內(nèi)等較封閉的環(huán)境中，除了環(huán)境噪聲和其他聲源的影響外，聲源本身在室內(nèi)的混響也會對準(zhǔn)確定位造成影響。四、完畢語麥克風(fēng)陣列信號處理是數(shù)字信號處理的一個新領(lǐng)域，具備許多傳統(tǒng)陣列信號處理無法比擬的優(yōu)勢，是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。但其在低信噪比或強(qiáng)混響的環(huán)境下，很多算法的性能都不是很理想，如TDOA，時延的估計(jì)精度會受到采樣頻率的限制。盡管許多方法試圖通過插值來進(jìn)步估計(jì)精度，但是這樣的插值只提供了一種平滑的方法，并沒有進(jìn)步時間分辨率。所以期待能有一種更加準(zhǔn)確的時延估計(jì)方法，使得TDOA估計(jì)不受采樣頻率的限制。對于實(shí)際的定位系統(tǒng)而言，穩(wěn)健的時延估計(jì)將為下一步準(zhǔn)確的定位奠定根底。龐大的運(yùn)算量也限制了許多算法在實(shí)時定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，如m