[发明专利]在室内声场环境中对移动声源进行实时跟踪定位的方法

权利要求书

1.在室内声场环境中对移动声源进行实时跟踪定位的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

(1)采用内置了加速度计、磁力计、陀螺仪多个传感器的智能手机作为声收发装置，移动声源即智能手机扬声器，通过设置在智能手机上的声波测距APP，让手机以单步时间间隔作为发声间隔，并选择chirp声信号作为发射信号，而声接收信号可由手机麦克风直接获得；

(2)读取手机内置传感器信息，估计移动声源连续步态间的距离与转向值，建立室内坐标系，并基于声学镜像模型，建立移动声源连续步态下真实源点及其镜像源点之间的几何关系模型；

(3)以室内空间几何信息为先验，通过声收发信号的互相关分析，设置一阶回波时延的搜索阈值；通过连续步态下声源点及其各一阶镜像源点在空间上所构成的几何关系，获取每一步态下声源点与其一阶镜像源点的空间距离，换算成时间估值；通过对空间脉冲响应时延点的搜索，在空间脉冲响应信号上，找到各时间估值的最佳匹配样点位置；

所述找到各时间估值的最佳匹配样点位置，具体过程如下：

(3.1)以移动声源单步时长为一个时间周期，在每一周期内，设作为移动声源的手机扬声器发出的chirp声信号为s(n)，手机麦克风接收到的信号为r(n)，R(τ)_s，r是收发之间的互相关函数；s(n)与室内脉冲响应h(n，S，M)进行卷积运算，并加上高斯白噪声n(n)，获得手机麦克风的接收信号r(n)，然后与s(n)进行L点离散傅立叶变换，完成手机的声收发信号间相位变换的广义互相关分析，得到直达声信号的时延估值；

(3.2)以室内空间几何为先验，选择室内空间长、宽、高三者的最长边L_x作为一阶回波时延搜索最大值，结合第一步的互相关分析结果，设置一阶回波时延搜索阈值；

(3.3)基于室内声学镜像模型，分析当前时刻t及下一时刻t+1，移动声源及其镜像声源点的空间几何关系；

(3.4)读取手机内置步态传感器信息，从加速度计获取步长值，陀螺仪获取转向角信息，结合步骤(3.2)的时延搜索阈值与(3.3)的几何关系，输入移动声源步态分析模块，构建源点的等腰梯形几何关系模型，以便降低一阶回波识别提取的运算复杂度；

(3.5)以步骤(3.4)构建源点的等腰梯形几何关系模型为基础，在一阶回波识别提取模块中，首先解决“识别”问题：以t时刻各一阶镜像声源到麦克风的一阶回波时延作为等腰梯形的己知底边，以移动声源t→t+1步态的步长及转角，作为等腰梯形的腰长及其与己知底边夹角，利用几何关系运算，求解出等腰梯形的另一未知底边，即t+1时刻各一阶镜像声源到麦克风的一阶回波时延；其次是“提取”问题：虽然通过几何关系运算可准确识别下一时刻的时延估值，但是，时延估值样点不会总是落在室内脉冲响应h(n，S，M)上，因此，在时延采样点的提取阶段，需要结合步骤(3.2)所设置的搜索阈值，在较少的时间样点范围内，快速准确地提取出时延样点；

(4)将声学镜像模型转化为非线性加权最小二乘分析模型，非线性加权最小二乘模型以步骤(3)的时间估值，计算声达时间差的估值，作为己知量；以待定的移动声源位置及其镜像源位置的欧氏距离作为声达时间差的未知量；在距离逼近的优化过程中，设置合理的速度因子与权值，使得非线性加权最小二乘模型迭代出移动声源的空间三维坐标的最优估值，实现移动声源的实时跟踪定位；所述的迭代出移动声源的空间三维坐标的最优估值，具体是采用声回波识别方法，从室内脉冲响应RIR中得到手机在任意S_t+1位置，6个一阶镜像声源到达真实声源S的估计距离r_v：

r_v＝||S_v-S||＝c*ξ_v/f_s，v＝1，2，...，6 (1)

式中，S表示真实声源，S_v表示6个一阶虚声源，c表示声速，ξ_v指室内脉冲响应RIR中对应着第v个一阶虚声源点的时延，小写的v表示一阶虚声源点的索引，f_s是采样频率；

以r₁为基准，其余的r_v值与r₁构成距离差矢量d_v，1：

d_v，1＝r_v-r₁，v＝2，...，6 (2)

与(2)相似地，计算目标声源与其镜像声源的欧氏距离差矢量d_v，1(S)：

d_v，1(S)＝r_v(S)-r₁(S)，v＝2，...，6 (3)

由于声速不变，距离差矢量等同于TDOA估值，因此可设d和d(S)相应地为TDOA估计矢量和测量矢量：

d＝[d_2，1，d_3，1，...，d_v，1] (5)

d(S)＝[d_2，1(S)，d_3，1(S)，...，d_v，1(S)] (6)

基于非线性加权最小二乘法，建立目标优化函数ε(S)：

结合优化算法，获取声源位置的实时位置估值

2.根据权利要求1所述的在室内声场环境中对移动声源进行实时跟踪定位的方法，其特征在于：步骤(2)所述建立室内坐标系，以手机扬声器声源为点声源，以房间的一个角落为原点，假设两次连续的chirp声信号发声间隔是一步的时间间隔，步长与转向角借助手机内部多个传感器进行实时测量；手机移动前后的位置及其镜像之间，构成了一组唯一确定的等腰梯形图，当室内空间为6面体矩形房间时，满足这样步长关系的等腰梯形个数为6；手机从t时刻的位置S_t移动到位置S_t+1，对应时刻为t+1，任意t时刻的S_t位置及其镜像源点，以t时刻和t+1时刻的一阶回波时延为上下底，S_t与S_t+1的距离为腰长，构成了一组6个唯一的等腰梯形。