[发明专利]一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法

权利要求书

1.一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备：

在一个三维空间内，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备，包括声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元；其中，上述声源分布单元由三个声源按照三角形排列并且三角形排列为固定构成，这三个声源分别为空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3，三个声源同时发出三个频带不同的声音信号；上述参考麦克风为一个麦克风，其分别到三个声源中的第i个声源的距离为d_i，其中i＝1,2,3，且这三个距离固定且已知，同时该参考麦克风设置在保证能接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围之内；将其固定在物体上即可计算出物体的位置信息，其数量为N≥1，被安置在三维空间中的能保证接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围内；麦克风信号处理单元被集成在参考麦克风和待定位麦克风上，用以处理麦克风接收到的声源分布单元所发出的声音信号同时计算其自身位置的信息；上述三个频率不同的声源与上述参考麦克风的位置排放在二维平面内，并构成四边形；

第二步，设定声源分布单元的声音传播满足线性波动方程，计算第j个待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离：

在上述第一步所述的三维空间内，设定空间内的环境在声音信号测定的时间内不变，上述第一步中设定的声源1、声源2和声源3同步产生声音信号s_i(t)，待定位麦克风中的第j个待定位麦克风接收到的声音信号x_ij(t)则是室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，设声源分布单元发出的声音信号为s_i(t)，上述第一步中设定的第j个待定位麦克风接收到的声音信号x_ij(t)即室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果由如下公式(1)所示，

公式(1)中，x_ij(t)，其中i＝1,2,3,j＝1,2.....N，为室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，τ_ij(t)，其中i＝1,2,3,j＝1,2.....N，为声源信号到第j个待定位的麦克风的时间延迟，n_i(t)，其中i＝1,2,3，为环境噪声，“*”为卷积算子，声源信号为s_i(t)，其中i＝1,2,3，和环境噪声n_i(t)，其中i＝1,2,3，互不相关，

通过声达时间法与上述第一步中设置的声源分布单元与上述第一步中设定的参考麦克风之间的距离关系即可计算上述第一步中设置的第j个待定位麦克风到上述第一步中设置的声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离如下公式(2)所示，

d_ij＝L_i+ΔT_ij·c (2)，

公式(2)中，ΔT_ij，其中i＝1,2,3,；j＝1,2.....N，为上述第一步中设置的第j个待定位麦克风与参考麦克风接收到上述第一步中的声源分布单元的三个声源中的第i个声源发出的声音信号的时间差，c为空气中声音的传播速度，L_i，其中i＝1,2,3，为第一步中三个声源中的第i个声源到参考麦克风的距离,由此计算出第j个待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离；

第三步，计算出待定位麦克风的空间位置：

在上述三维空间中，设定实现空间麦克风定位的已知位置的参考节点最少为3个，分别为坐标为(x₁，y₁，z₁)的A参考节点、坐标为(x₂，y₂，z₂)的B参考节点和坐标为(x₃，y₃，z₃)的C参考节点，再设定O为未知位置的待定位节点，最少由上述四个节点单元组成一个最小的三维立体空间定位系统，参考节点A到待定位节点O之间的距离为d_1j，参考节点B到待定位节点O之间的距离为d_2j，参考节点C到待定位节点O之间的距离为d_3j，由如下公式(3)、(4)、(5)、(6)计算出待定位麦克风的空间位置，

z＝V/S_ΔABC (5)，

坐标为(x₁，y₁，z₁)的A参考节点、坐标为(x₂，y₂，z₂)的B参考节点和坐标为(x₃，y₃，z₃)的C参考节点分别被指定为上述第一步中设置的空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3的三个声源，待定位节点O为上述第一步中设置的第j个待定位麦克风，那么，b,a,f分别为待定位节点O，到坐标为(x₁，y₁，z₁)的A参考节点、坐标为(x₂，y₂，z₂)的B参考节点和坐标为(x₃，y₃，z₃)的C参考节点的距离差，c,d,e,分别为A与B参考节点，A与C参考节点，B与C参考节点之间的距离，S_ΔABC为A、B、C三个参考节点所构成的三角形的面积，V为上述第一步中设置的声源1、声源2和声源3与上述第一步中设置的第j个待定位麦克风所构成的四面体的体积，由上述四面体体积公式(3)-(5)得到上述第一步中设置的第j个待定位麦克风在上述三维空间中z的坐标，将其带入公式(6)中，解得上述第一步中设置的第j个待定位麦克风在上述三维空间中x,y的坐标，由此计算出待定位麦克风的空间位置。

2.根据权利要求1所述一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，其特征在于：所述麦克风信号处理单元为型号不限的微处理器，用于处理麦克风采集到的声音信号，计算待定位麦克风的位置坐标。