[发明专利]一种用于分布式麦克风阵列的声源定位系统及定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种麦克风阵列的声源定位技术，特别是一种用于分布式麦克风阵列的声源定位系统及定位方法。

背景技术

麦克风阵列由多个麦克风排列组成，各麦克风同时采集并联合处理声音信号，在得到信号时域与频域信息的同时，还能够获得声音的空域(空间方位)信息。用麦克风阵列和目标的声音信息来获取目标位置是一种有效的定位方法。由于麦克风拾取声音属于被动探测方式，基于麦克风阵列的声源定位技术在军事探测、安全监控、音/视频会议系统、人机交互等领域应用广泛。

近年来，随着网络通信与移动计算技术的发展，麦克风阵列由规则几何拓扑结构发展为无特定几何形状和尺寸信息的分布式结构，这使得阵列的搭建、更改与应用更加灵活，但也带来了许多新的问题，导致已有的规则麦克风阵列定位理论和方法无法直接应用于分布式麦克风阵列中。

苏淳于2012年在公开号为CN102707262A的专利《一种基于麦克风阵列的声源定位系统》中，采用基于到达时间差的声源定位算法搭建了真实声场环境下基于麦克风阵列的声源定位系统。该系统先用广义互相关函数方法估计麦克风间接收信号的延迟时间，之后根据阵列的几何结构，建立几何关系的方程组求得声源位置。基于到达时间差的声源定位方法应用于传统的、结构规则且尺寸较小的麦克风阵列中，声源定位效果较好。但对于麦克风间距离较大的分布式阵列，受声音信号波长的影响，尤其对于（准）周期声音信号，直接估计麦克风间信号延迟时间会出现周期模糊现象，导致估计结果出现偏差甚至完全错误。此外，用计算两个信号互相关系数的方法来获得麦克风信号间的时延，需要大量数据参与运算，其计算复杂度较高，进行实时处理较难。

Carlos T I,Olivier C.发表的《Evaluation of a MUSIC-based real-time sound localization of multiple sound sources in real noisy environments 》 (International Conference on Intelligent Robots and Systems,Saint Louis,USA,2009:2027-2032.)基于空间谱估计技术来实现麦克风阵列声源定位。该方法建立各麦克风接收信号的相关矩阵，对其进行空间谱分解，划分出互相正交的信号子空间和噪声子空间，再估计空间谱峰来确定波达方向，进而确定声源位置。该技术虽然是阵列信号处理领域研究最广的定位方法，但其要求阵列中麦克风等间隔线性排列，而对于几何结构不规则的分布式阵列，该方法不再适用，并且该方法多适用于远场、窄带、平稳的声音信号，应用局限性较大。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要实现一种算法简单、定位过程计算量小、易于实时实现，适用于几何结构不规则的分布式麦克风阵列的声源定位系统及定位方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于分布式麦克风阵列的声源定位系统，包括信号能量比计算模块A、数据库建立模块、GMM训练模块、信号能量比计算模块B和声源坐标计算模块；所述的信号能量比计算模块A的输入端输入指纹采集点处各麦克风采集到的信号，输出端与数据库建立模块输入端连接；数据库建立模块输出端与GMM训练模块输入端连接，GMM训练模块输出端与声源坐标计算模块输入端连接；所述的信号能量比计算模块B的输入端输入未知位置处各麦克风采集到的信号，输出端也与声源坐标计算模块输入端连接；声源坐标计算模块输出端输出声源坐标；所述的GMM为高斯混合模型Gaussian Mixture Model的简称。

信号能量比计算模块A根据在各个指纹采集点处采集到的信号生成训练矢量，数据库建立模块将该训练矢量存储起来构成数据库，GMM训练模块根据数据库中的数据进行训练，获得GMM参数，该参数供声源坐标计算模块使用；信号能量比计算模块B采集未知位置的信号生成观测矢量，声源坐标计算模块根据该矢量和GMM参数计算出该未知位置处的声源坐标。

一种用于分布式麦克风阵列的声源定位方法，包括以下步骤：

A、在已部署好的麦克风阵列工作场地，将声源移动至事先确定好的各个指纹采集点处，将采集到的信号输入到信号能量比计算模块A，进行信号能量比计算，输出计算结果至数据库建立模块；所述的信号能量比计算对每个指纹采集点处采集的每帧信号进行一次计算；所述的信号能量比计算模块A的工作方法包括以下步骤：