基于麦克风阵列的声源定位算法研究
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第 ３３卷 第 ３期 ２０１６年 ３ 月
计 算机 应 用与软 件
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３ Ｍ ａｒ．２０ｌ６
基 于 麦 克风 阵列 的声 源定 位 算 法 研 究
李 扬 王鸿鹏
（哈 尔 滨 工 业 大 学 深 圳 研 究 生 院计 算 机 科 学 与 技 术 学 院 广 东 深 圳 ５１８０５５） （深 圳 物 联 网关 键 技 术 及 应 用 系统 集 成 工 程 实 验 室 广 东 深 圳 ５１８０５５）
关 键词 声源定位 时延值筛选 时延值冗余 自适应特 征值 分解 小波去噪
中 图 分 类 号 ＴＰ３９１．４
文 献 标 识 码 Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—３８６ｘ．２０１６．０３．０３８
ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＳｏＵＮＤ ＳｏＵＲＣＥ ＬｏＣＡＬＩＳＡＴＩｏＮ ＡＬＧ ｏＲＩＴＨＭ ＢＡＳＥＤ ｏＮ Ｍ ＩＣＲｏＰＨ ｏＮＥ ＡＲＲＡＹ
（Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ｌＯＴ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｅａｌｉｓａｔｉｏｎ（ＳＳＬ）ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ （ＴＤＥ），ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ
ｔｗｏ ｓｔａｇｅｓ：ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ＳＳＬ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｉｎ ＴＤＥ ｓｔａｇｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍ ａｇｎｉｆｉｅｄ ｉｎ ＳＳＬ ｓｔａｇｅ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｆｒｏｍ ３ ａｓｐｅｃｔｓ： ｒａｗ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ， ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｖａｌｕｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＬＬ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ，ｗｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ＳＳＬ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｅｒ ｆ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｕｒ—ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｒｏｓｓ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙ ｗｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｎｅｗ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｖａｌｕｅ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｓｅｄ ａｎ ｉｎｄｏｏｒ ＳＳＬ ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｎ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｏｆ ２－Ｄ ＳＳＬ， ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ａｚｉｍｕｔｈ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｔ ｌｅａｓｔ ７０％ ，ｉｔｓ ｍｅａｎ ｅｒｒｏｒ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５。． Ｔｈｅ Ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ａ ｚｉｍｕｔｈ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｗ ｈｅｎ ｒｅａｌ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２．５ ｍ ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｄ Ｘ—Ｙ ａｘｉｓ ｗａｓ ｎｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １５。，ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ ５０％ ｏｒ ｈｉｇｈｅｒ．
Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ
Ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ Ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
Ｗ ａｖｅｌｅｔ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ
０ 引 言
基 于 麦 克 风 阵列 的 声 源 定 位 系 统 通 过 多 个 麦 克 风 拾 取 声 源 信号 ，对接收 到的多路信号进行分析 和处 理 ，最终得 到声 源的位 置 。声 源定位系统 无论 在 民用 ．２ 还 是军 用 ｌ４ 领 域都 扮演 着 重 要 的 角 色 。基 于 麦 克 风 阵 列 的 声 源 定 位 技 术 大 致 可 分 为 三 种 ：基于最 大输出 功率 的可 控波 束形 成 技术 Ｊ、基 于高 分 辨率 谱估计 技术 和基 于时延估 计的技术 。
摘 要 在基 于时延估计 的声源定位 系统 中，由于定位 算法分为两个 阶段 ：时延估 计和定位 ，时延估计 阶段的误差会在 定位 阶段 被 放大 ，导致声源定位 的成 功率和精度较低。从原始信 号去噪，时延值插 值和定 位算法 三方面入 手，提 高声源定位 的精度。结合 自 行 设计 的四元 十字麦克风阵列 ，给 出一种新 的时延值 筛选 算法 ，实现 了一个 室 内声源定位 系统。实验结果表 明，在 二维定位场 景 中， 该 系统对声 源方位角的估计成功 率超过 ７０％ ，平均误 差小于 ５。；该 系统对 声源 距离估 计的成功率和精度 与声源方位角有关 ，当声 源 方 位 与 Ｘ、Ｙ 轴 的 夹 角 不 超 过 １５。且 声 源 距 离 不 超 过 ２．５ ｍ 时 ，声 源 距 离估 计 的成 功 率 能达 到 ５０％ 以上 。
Ｌｉ Ｙａｎｇ Ｗ ａｎｇ Ｈｏｎｇｐｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
计 算机 应 用与软 件
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３ Ｍ ａｒ．２０ｌ６
基 于 麦 克风 阵列 的声 源定 位 算 法 研 究
李 扬 王鸿鹏
（哈 尔 滨 工 业 大 学 深 圳 研 究 生 院计 算 机 科 学 与 技 术 学 院 广 东 深 圳 ５１８０５５） （深 圳 物 联 网关 键 技 术 及 应 用 系统 集 成 工 程 实 验 室 广 东 深 圳 ５１８０５５）
关 键词 声源定位 时延值筛选 时延值冗余 自适应特 征值 分解 小波去噪
中 图 分 类 号 ＴＰ３９１．４
文 献 标 识 码 Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—３８６ｘ．２０１６．０３．０３８
ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＳｏＵＮＤ ＳｏＵＲＣＥ ＬｏＣＡＬＩＳＡＴＩｏＮ ＡＬＧ ｏＲＩＴＨＭ ＢＡＳＥＤ ｏＮ Ｍ ＩＣＲｏＰＨ ｏＮＥ ＡＲＲＡＹ
（Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ｌＯＴ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
wenku.baidu.com
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｅａｌｉｓａｔｉｏｎ（ＳＳＬ）ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ （ＴＤＥ），ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ
ｔｗｏ ｓｔａｇｅｓ：ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ＳＳＬ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｉｎ ＴＤＥ ｓｔａｇｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍ ａｇｎｉｆｉｅｄ ｉｎ ＳＳＬ ｓｔａｇｅ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｆｒｏｍ ３ ａｓｐｅｃｔｓ： ｒａｗ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ， ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｖａｌｕｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＬＬ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ，ｗｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ＳＳＬ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｅｒ ｆ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｕｒ—ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｒｏｓｓ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙ ｗｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｎｅｗ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｖａｌｕｅ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｓｅｄ ａｎ ｉｎｄｏｏｒ ＳＳＬ ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｎ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｏｆ ２－Ｄ ＳＳＬ， ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ａｚｉｍｕｔｈ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｔ ｌｅａｓｔ ７０％ ，ｉｔｓ ｍｅａｎ ｅｒｒｏｒ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５。． Ｔｈｅ Ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ａ ｚｉｍｕｔｈ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｗ ｈｅｎ ｒｅａｌ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２．５ ｍ ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｄ Ｘ—Ｙ ａｘｉｓ ｗａｓ ｎｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １５。，ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ ５０％ ｏｒ ｈｉｇｈｅｒ．
Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ
Ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｓａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ Ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
Ｗ ａｖｅｌｅｔ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ
０ 引 言
基 于 麦 克 风 阵列 的 声 源 定 位 系 统 通 过 多 个 麦 克 风 拾 取 声 源 信号 ，对接收 到的多路信号进行分析 和处 理 ，最终得 到声 源的位 置 。声 源定位系统 无论 在 民用 ．２ 还 是军 用 ｌ４ 领 域都 扮演 着 重 要 的 角 色 。基 于 麦 克 风 阵 列 的 声 源 定 位 技 术 大 致 可 分 为 三 种 ：基于最 大输出 功率 的可 控波 束形 成 技术 Ｊ、基 于高 分 辨率 谱估计 技术 和基 于时延估 计的技术 。
摘 要 在基 于时延估计 的声源定位 系统 中，由于定位 算法分为两个 阶段 ：时延估 计和定位 ，时延估计 阶段的误差会在 定位 阶段 被 放大 ，导致声源定位 的成 功率和精度较低。从原始信 号去噪，时延值插 值和定 位算法 三方面入 手，提 高声源定位 的精度。结合 自 行 设计 的四元 十字麦克风阵列 ，给 出一种新 的时延值 筛选 算法 ，实现 了一个 室 内声源定位 系统。实验结果表 明，在 二维定位场 景 中， 该 系统对声 源方位角的估计成功 率超过 ７０％ ，平均误 差小于 ５。；该 系统对 声源 距离估 计的成功率和精度 与声源方位角有关 ，当声 源 方 位 与 Ｘ、Ｙ 轴 的 夹 角 不 超 过 １５。且 声 源 距 离 不 超 过 ２．５ ｍ 时 ，声 源 距 离估 计 的成 功 率 能达 到 ５０％ 以上 。
Ｌｉ Ｙａｎｇ Ｗ ａｎｇ Ｈｏｎｇｐｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）