多声源定位的关联模糊消除方法研究

基于到达时差(Time Difference of Arrival,TDOA)的多声源定位中,由于麦克风阵列对测量的TDOA值无法与目标声源进行关联,声源定位过程会产生关联模糊,从而影响多声源定位结果的精度。针对这一问题,提出基于阵列重构的多声源关联模糊消除方法。通过广义互相关(Generialized Cross⁃Correlation,GCC)算法估计麦克风阵列的TDOA值,再利用排序算法获得定位麦克风阵列所有可能的TDOAs序列,并基于Chan算法估计所有可能的声源。通过轮换定位麦克风阵列的参考麦克风,构造多组校验子阵列,利用真实声源与阵列麦克风的相对位置关系来滤除虚假声源。对于不同校验子阵列筛选出的所有声源位置,以出现频数最大化原则再次进行冗余校验,从而提升最终筛选真实声源的准确性。仿真及实验结果表明,该方法能够以最少数量常规麦克风有效消除多声源定位中的虚假声源。在同等麦克风数量的情况下,该方法的定位精度及定位鲁棒性高于对比方法。

基于波束形成的多类型多声源定位研究

为实现空压机多噪声源的准确定位,仿真对比了多种近场球面波多声源定位算法。基于时域波束形成,研究了相同声源平面、不同声源频率、不同声源纵向距离、不同声源强度下多声源定位以及声源频率、声源纵向距离和声源强度多因素联合的多声源定位仿真方法,模拟了更接近实际的噪声源类型。基于频域波束形成,仿真研究了1400 Hz,2400 Hz,3400 Hz,4400 Hz的多声源。分别利用互功率谱波束形成和除自谱的互功率谱波束形成,仿真研究了相干声源和不相干声源。开发了阵列声成像测试平台,运用频域波束形成和功率谱波束形成对空压机进行了定位试验研究。结果表明,1400 Hz下空压机的主要噪声源是气缸盖、空气滤清器和曲轴附近的机体,这可为空压机减振降噪改进设计提供依据。

基于子带可控响应功率的多声源定位方法

为了提高多个说话人情况下麦克风阵列的定位性能,提出基于子带可控响应功率的多声源定位算法。该算法将语音信号频域分为7个子带,在每个子带计算相位变换加权的可控响应功率函数,在声源空间搜索其最大值得到声源位置的初始估计。根据语音信号频率的稀疏性,这些初始估计包含多个声源的位置,运用会聚聚类算法得到最终的声源位置估计。仿真和实验表明,在有2个说话人,10 dB信噪比,较强混响的条件下,该算法比传统算法的定位正确率提高了约4%,额外率降低了约7%。

基于麦克风阵列多声源定位的新方法

针对传统方法不能准确地测量远场多声源位置的问题,提出了在近场和远场都能用的多声源定位新方法.该方法采用两个L型麦克风阵列,在每个阵列通过多声源的频率及到达角的联合估计求得信号源的夹角,基于每个信号源的夹角对估计多声源的位置.通过仿真实验验证了该方法在近场、远场都能准确地测量多声源位置,通过调节两个L型麦克风阵列之间的距离能得到误差在5%以下的声源定位精度.

基于压缩感知的双麦克风混响多声源定位算法

针对混响条件下现有声源定位技术中麦克风数量必须大于声源数量的现状,提出了一种基于压缩感知的双麦克风混响多声源(至少3个声源)定位算法。将多声源定位问题看作是块稀疏信号的重构问题,在频域将全房间冲激响应归一化来构造压缩观测矩阵,重构的块稀疏信号中非零块的位置即对应了空间中实际声源的位置。仿真实验表明,与基于子带可控响应功率(SRP-sub)的多声源定位方法相比,在双麦克风混响条件下定位多声源,基于压缩感知的多声源定位算法的定位性能更高,在混响时间为0.6 s时,仅采用40个频点值,定位3个声源的成功率可以达到80%。

基于两个L型阵列的远场多声源定位方法

针对传统方法不能准确地测量远场多声源位置的问题,提出了在近场和远场都能用的多声源3D定位新方法.该方法采用两个L型麦克风阵列,在每个阵列通过多声源的频率及到达角的联合估计求得信号源的夹角,基于每个信号源的夹角对估计多声源的位置.通过仿真实验验证了该方法在近场、远场都能准确地测量多声源位置,通过调节两个L型麦克风阵列之间的距离能得到误差在5%以下的声源定位精度.

基于TDOA多声源定位的虚假声源消除方法

基于到达时差(time difference of arrival,简称TDOA)的多声源定位方法难以将麦克风获得的TDOA值与真实声源进行有效的关联。针对此问题,提出了一种基于TDOA的多声源空间定位方法。利用互相关算法估计声源的TDOA值,并基于Chan算法求解多目标声源的空间位置。为消除虚假声源,将阵列麦克风分为定位和校验两组子阵列,并构建阵列分组定位校验模型。定位麦克风用于所有可能声源的定位。校验麦克风用于虚假声源的消除,并获得多声源的初始位置。根据初始真实声源位置,构建全阵列TDOA序列校验模型,并获得最终真实声源位置。搭建了仿真及实验平台,对提出的方法进行验证。仿真及实验结果表明,提出的方法有效地消除了基于TDOA多声源定位的虚假声源,并能充分利用阵列麦克风数量来提升多声源定位精度。

改进的波束形成算法及其在多声源定位中的应用

为提高多点声源工况的定位精确度及简化设备,对传统波束形成算法进行改进。引入改进扫描中的扫描向量并结合遗传算法对求解域内的非线性方程组进行求解,从而提高定位精度。基于改进算法,在消声室内采用空间星型(Y型)传感器阵列对不同声源进行定位,并将结果与传统算法定位结果进行比较。由比较可见:当多个声源相距较近时,这些源等效于单一点源,两种算法定位结果基本一致;但当声源相互距离增大时,改进算法可以有效提高定位精度,并准确定位多个源的位置。

改进DSB方法的语音信号多声源定位

延迟求和波束形成(DSB)在麦克风阵列信号到达角估计上有着广泛应用,然而在语音信号源下由于栅瓣等问题使得该方法对多个语音信号源方位估计不理想,此外,在实际复杂环境下,该方法受噪声混响影响,方位识别更加困难。针对这些问题,提出一种改进的DSB方法,联合信号频率及麦克风阵列间距对子段内的频点进行选择,之后对数据协方差矩阵加权处理。同时在仿真及实际环境下进行实验,结果表明,与未改进DSB方法相比,该方法计算量降低为原来的18.37%,有效地降低了运算量;仿真实验中在不同反射系数0.2、0.4、0.6下,平均角度定位偏差分别降低了27.3%、21.4%、36%;实际环境实验方位角度估计偏差最大值为9°、最低为1.35°,要低于未改进算法的12.1°和3°。

不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的多声源定位算法

环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一。应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点。环境聚焦方法的实质是将未知环境参数和声源位置联合优化估计,当出现多个目标时,估计的参数会随着声源个数成倍增加,因此不得不利用有限的观测信息来实现众多参数的估计。本文采用最大似然比方法,获得信号源谱和误差项的最大似然估计,实现这些敏感性较弱参数的间接反演,有效降低了反演参数维数和定位算法复杂度。针对遗传算法的早熟和稳定性差的问题,改进了似然函数的经验表达式。将多维后验概率密度在参数起伏变化范围内积分,得到反演参数的一维边缘概率分布,求解最优值的同时进行反演结果的不确定性分析。本文仿真了位于相同距离、不同深度的两个声源,使用仿真实验验证了提出算法的有效性。

融合平滑滤波器和子带分析的双声源定位

为改善混响环境下多声源定位算法的性能,提出了一种基于子带分析的平滑广义互相关多声源定位算法。该算法利用语音信号在频域的稀疏性,首先对麦克风阵列接收到的混合语音信号进行子带划分,计算每个子带中信号的平滑广义互相关函数,再通过加权平均方式融合各子带的时延信息,最后结合空间几何定位算法获得各个声源的三维位置。在互相关原理的基础上,采用一阶平滑滤波器对互功率谱函数进行多帧加权平滑处理,减小仅由当前帧估计结果带来的波动,保持各帧之间的连续性,提高算法的定位性能。仿真结果表明:本文提出的算法在混响环境下获得了较高的定位精度,且明显优于参考算法。

基于声压幅度比的多声源分离定位决策研究

利用声压幅度比模型,提出了一种基于声压幅度比的多声源分离定位方法,该方法利用盲信号分离算法实现混合声源信号的分离,根据谱估计的相似度确定接收信号中各声源的分配情况,结合幅度差异因子获得传感器的声源信号分布,再通过单声源的声压幅度比模型确定声源位置,实现多声源定位。由于盲信号分离算法比较成熟,且实际中的声源信号大多为非高斯,因而满足盲信号分离条件。该方法具有实用强、应用性广等特点,对其它分离、定位问题也有借鉴作用。

分布式压缩感知麦克风阵列多声源方位估计

麦克风阵列已被广泛应用于音/视频会议等人机交互领域中,多声源应用场景对声源方位估计性能提出了更高的要求。压缩感知声源定位算法将声源定位问题转化为信号的稀疏重构问题,相比传统的定位算法如联合可控响应功率和相位变换和时延累加定位能够获得较高的定位性能,但多声源的存在一定程度上降低了稀疏程度,影响了压缩感知重构性能。考虑到传统的压缩感知定位算法并未利用多个连续语音帧之间声源空间向量的共同稀疏性,提出采用分布式压缩感知理论以改善多声源的稀疏恢复估计的性能。仿真和实验结果表明,相比于传统定位算法和压缩感知-正交匹配追踪算法,分布式压缩感知-同步正交匹配追踪算法在不同信噪比和不同声源强度的环境中,对多声源的方位估计都具有更好的定位性能和定位稳健性。

基于差分麦克风阵列和语音稀疏性的多源方位估计方法

差分麦克风阵列为实现小尺寸阵列条件下的声源定位提供了一条重要技术途径。语音信号具有稀疏性,利用该特性可实现基于差分麦克风阵列的多声源方位估计,其中的典型方法为直方图法。针对差分麦克风阵列,本文提出了一种基于时频掩蔽和模糊聚类分析的短时平均复声强多声源方位估计方法。分析了不同阵列尺寸条件下时频掩蔽频带范围的选择问题。该方法具有闭式解,在强混响噪声环境下的性能优于直方图法,并且受阵列尺寸变化的影响较小。为了改善直方图法的性能,基于时频掩蔽的思想,文中还给出了一种修正的直方图方法。混响噪声环境下的仿真实验结果验证了本文所提方法的有效性。

宽间距阵列迭代信噪比加权聚合角度谱研究

针对宽间距传声器阵列在混响环境下的多声源波达方向(DOA)估计问题,基于弥漫噪声模型研究了一种能有效抑制空间混叠影响的迭代信噪比加权聚合角度谱方法。该方法利用声源信号的时频稀疏和短时正交性,在每个时频点针对空间混叠周期的频变特点迭代消除各个真实声源在时频局域角度谱中的伪峰,从而在最终的聚合角度谱中有效抑制了空间混叠影响。在混响条件下针对不同声源数目进行了仿真实验,结果验证了所述方法的有效性。