基于麦克风阵列的声源定位方法的研究

发布时间：2020-03-28 05:57

【摘要】：在室内声学环境下对声源进行定位在现实生活中有广泛的应用场景,如小型会场、课堂教学、舞台演出等。随着阵列信号处理技术的发展,麦克风阵列技术被应用于声源定位中,该方法通过对多路麦克风的信号的处理运算来确定声源的空间位置。但是在室内环境下,环境噪声及混响的影响,会导致定位误差的产生。本文深入研究基于麦克风阵列的声源定位方法,并针对现有方法在高噪声和高混响情况下定位误差大的问题,对定位方法进行分析和改进,并设计一个具有较高抗噪声和抗混响能力的麦克风阵列声源定位系统。本课题主要做了以下几个方面的工作。通过对声源定位方法的比较,本课题选用基于TDOA的声源定位方法作为研究方案。分析声源定位的信号处理模型,针对室内应用场景,通过比较,选择合适的空间模型和信号模型,对室内混响进行研究。对信号的预处理进行研究,针对语音信号的特性,研究信号预过滤、加窗分帧和端点检测的方法和参数选择,并对预处理过程进行实现。本论文系统地研究时延估计的算法,介绍GCC-MLPT算法,并分析其算法缺陷,针对其不足提出对其改进后的GCC-IMLPT算法,并通过仿真实验验证GCC-IMLPT算法的性能。研究基于时延估计的定位算法,通过比较,选择计算量小、实时性能更好的球形插值法,并研究分析时延估计误差及麦克风数目和算法误差之间的关系。设计基于麦克风阵列的声源定位系统,对麦克风阵列的拓扑结构进行研究,确定麦克风阵列的形状及大小,并详细设计该系统的各部分功能,对该系统的性能进行仿真分析及实际环境测试,验证该系统的性能,并对系统的误差进行分析,提出下一步的改进。
【图文】：

杭州电子科技大学硕士学位论文声源定位的第一步是对声源信号的采集，而这一步是由麦克风阵列来完成的，信号模型主要描述了麦克风阵列和声源之间的关系。因此，构建合理的信号模型对之后定位起着十分重要的作用。根据麦克风阵列和声源距离的大小，可把信号传输模型分为远场模型和近场模型。当声源和麦克风阵列之间的距离较大，一般采用远场模型。这时候，可以不再考虑不同麦克风接收信号之间的方向角差异，因此将从声源传到麦克风阵列的声音信号看作是平面波，这种情况下，通常不需要考虑接收信号之间的幅度差值。远场模型下，只能计算声源的方向，不能计算声源距离。当声源与麦克风的距离较近，声源相对于各麦克风的入射角会有较明显差别，在此场景下，为得到更精准的声源位置，需要采用包含更多位置信息的近场模型[26]。近场模型下，麦克风阵列接收到的声波被视为球面波，这种情况考虑了不同麦克风收到的信号的入射角的不同。近场模型下，因为获得了更多的位置信息，所以不仅能够测量声源的方向，还可以测量声源与麦克风之间的距离，获得更高的定位精度。

图 2.2 球面声源示意图声源为中心的球体，当球面发生振动，会向球的四周均匀的发射球面波。动球源辐射的声压可由式(2.2 表示：( )0| |( )j t krAp e r rr 中，20 020| |1 ( )ckrAkr 0 arctan(1 kr)公式可以看出，声波在均匀介质中传播的过程中，传播的距离越远，声波幅值重，声音的传播距离和声波幅值之间成反比例关系。建信号模型理想环境下，认为麦克风阵列收到的声音信号由直达信号和环境噪声构成，
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN912.3

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本文编号：2604027