一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210331009.1	申请日：	2012.09.10
公开号：	CN102866385A	公开日：	2013.01.09
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01S 5/20申请日:20120910\|\|\|公开
IPC分类号：	G01S5/20	主分类号：	G01S5/20
申请人：	上海大学
发明人：	宋涛; 黄青华; 彭昌友; 许广宏
地址：	200444 上海市宝山区上大路99号
优先权：
专利代理机构：	上海上大专利事务所(普通合伙) 31205	代理人：	陆聪明
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内容摘要

本发明公开了一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法：首先将球麦克风阵列采集高阶声场进行球谐函数分解，建立球谐域阵列接收的含噪声源信号模型；然后表达阵列接收数据的协方差矩阵；接着，根据子空间分解方法将协方差矩阵进行划分，得到两个相互正交的信号子空间和噪声子空间；再利用上述信号子空间和噪声子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量并提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱；最后，搜索方位谱函数的谱峰位置，确定声源的空间方位。该方法利用球麦克风阵列三维空间旋转对称结构，对声场进行充分的采样，结合高分辨率的谱估计和降维的噪声子空间，显著降低运算量，准确地估计声源方位，能广泛用于语音信号处理等领域。

权利要求书

权利要求书一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数；
(2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型；
(3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收信号的协方差矩阵；
(4)、对步骤(3)中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间、噪声子空间；
(5)、利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，构造标准空间方位谱，并从步骤(4)中所得到的噪声子空间中提取出一个噪声子空间特征向量，构造空间方位谱；
(6)、搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值。
根据权利要求1所述的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，其特征在于，上述步骤(5)中所述的利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，构造标准空间方位谱，并从步骤(4)中所得到的噪声子空间中提取出一个噪声子空间特征向量，构造空间方位谱，其具体如下：
(5‑1)、定义信号子空间的导向矢量，
利用信号子空间的导向矢量与噪声子空间近似正交，即，，定义信号子空间的导向矢量表达式为：

其中，空间俯仰角和方位角扫描整个空间方位，其变化范围分别为、，是一维矩阵，其元素由变量为阵元位置的球谐函数组成，表达式为：

(5‑2)、构造标准空间方位谱，并在噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱：
设导向矢量与噪声子空间相乘之积的倒数为标准空间方位谱，其表达式为：

其中，为维矩阵，为维矩阵，从噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，有，构造空间方位谱，其表达式为：
      。
根据权利要求2所述的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，其特征在于，上述步骤（6）中所述的搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值，其具体下：
空间方位谱函数为一个搜索空间俯仰角和方位角的函数，空间方位谱函数可用三维的空间方位谱图表示，轴是搜索角度的值，范围是，轴是搜索角度的值，范围是，轴代表谱值，谱峰所在很小的范围内，在这些小范围内进行小步进搜索，得到空间方位谱的谱峰位置，确定声源的空间方位，空间方位谱的谱峰搜索的过程如下：
(6‑1)、在轴上范围内，等间距选择个值：，轴上范围内，等间距选择个值，，为声源个数，带入计算对应的谱值，进而确定门限值，其表达式为：

其中，；
(6‑2)、统计出大于门限的谱值的个数；
选择轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，进行第次步进谱峰搜索，依次把点代入，计算对应的谱值，分别将各对应的谱值与门限值逐个比较，统计出大于门限值的谱值的个数；
(6‑3) 判断步骤(6‑2)所述的大于门限的谱值的个数是否小于信号源的个数，若步骤(6‑2)中所述的大于门限的谱值的个数小于信号源个数，则转步骤(6‑2)，继续进行第次谱峰搜索，直至大于门限的谱值个数大于或等于信号源个数；若步骤(6‑2)中所述的大于门限的谱值的个数大于或等于信号源个数，则转步骤(6‑4)；
(6‑4)、以个大于门限的谱峰对应的搜索值构成取值域，在取值域内进行步进谱峰搜索，得到个取值域内谱峰对应的搜索值，其具体如下：
若第次步进谱峰搜索中大于门限值的谱峰个数,记下大于门限值的谱值对应的搜索值，选取搜索值点为长方形的中心，构成一个长方形的取值域：轴上的取值范围为，轴上的取值范围为，其中，在构成的个取值域内，选取轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，依次进行步进谱峰搜索，得到各个取值域内谱峰对应的搜索值，；
(6‑5)、确定声源方位的估计值，其具体如下：
若（6‑4）中大于门限的谱峰个数等于信源个数，则步骤（6‑4）中谱峰搜索得到的搜索值是声源方位的估计值，其中，；
若（6‑4）中大于门限的谱峰个数大于信源个数,则把步骤（6‑4）中谱峰搜索得到的搜索值代入式（23）计算，得到个谱峰值，把个谱峰值按从小到大的顺序排列，删除前个谱峰值，剩下个谱峰值，个谱峰值对应的搜索值是声源方位的估计值，其中。

说明书

说明书一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于球麦克风阵列的三维空间多声源定位方法，可广泛用于语音信号处理等领域。具体是基于空间方位谱估计原理，结合降维子空间，将球谐域阵列接收信号模型进行协方差运算，划分相互正交的子空间，提取噪声子空间特征向量，构造出“针状”空间谱峰，最终通过谱峰搜索得到声源的位置。与传统的声源定位方法相比，本方法充分利用了空间方位谱估计的高分辨率特性和降维子空间运算量低的特点，达到快速、精确的声源定位效果。
背景技术
声源定位技术，即确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣的信号的空间位置，是阵列信号处理的重要技术之一。利用麦克风阵列对声源信号的方位估计是声源定位的基本方法，它是将一组麦克风传感器按一定方式布置在空间不同位置上，形成麦克风阵列；用麦克风阵列来接收空间声源信号，再对阵列接收的信号进行处理，提取有用的信号特征，再通过一定的算法求解最终得到信号源的方位信息。
球麦克风阵列与传统的一维直线麦克风阵列、二维平面麦克风阵列等几何阵列相比，具有的优点是：三维空间的旋转对称结构、高空间分辨率、空间任意方向的波束形成及球傅里叶正交分解框架等，能够对声场进行更加充分地采样，因此在三维空间的多声源定位方面更具有优势。
目前针对球麦克风阵列的声源定位方法主要是基于时域上的可控波束形成，或者是基于球谐域上的平面波分解。前者是对球麦克风阵列所采集到的声源信号滤波加权求和来形成波束，然后通过搜索声源可能的位置来引导波束，得到使波束有最大输出功率的为声源的方位。基于可控波束形成的球麦克风阵列声源定位方法的缺点是：需要进行全局搜索，运算量极大，故很难实现；基于平面波分解的球麦克风阵列声源定位方法是：首先，把声场进行球谐分解变换到球谐域中，获取直射声场的声压，然后，根据在声源直射方向会出现入射平面波幅值的峰值点的原理，在球面空间中搜索入射平面波幅值的极大值，极大值对应的球面位置坐标为声源的方位。此方法的缺点是对声源较多时的定位效果差，而且声源定位的精度主要受所使用的球麦克风阵列阶数大小的影响，增加麦克风的数目，虽然可以提高阵列的阶数，但是同时增加了信号采集的路数，导致计算复杂度的增加。还有一种时延估计也是一种有效的声源定位技术，但是其受噪声干扰较大，且球麦克风阵列的阵元间距小，致使现实中也很难获得精确的时延，不具有实用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，该方法能克服传统方法计算量大、定位精度不高的不足，显著降低运算量，准确估计声源方位。
为了达到上述目的，本发明的构思是：首先将球麦克风阵列采集高阶声场进行球谐函数分解，建立球谐域阵列接收的含噪声源信号模型；然后表达阵列接收数据的协方差矩阵；接着，根据子空间分解方法将协方差矩阵进行划分，得到两个相互正交的信号子空间和噪声子空间；再利用上述信号子空间和噪声子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱；最后，搜索方位谱函数的谱峰位置，确定声源的空间方位。
根据上述发明构思，本发明采用的技术方案是：
一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法主要包括以下几个步骤：
(1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数；
(2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型；
(3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收信号的协方差矩阵；
(4)、对步骤(3)中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间                                               、噪声子空间；
(5)、利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，构造标准空间方位谱，从步骤(4)中所得到的噪声子空间中提取出一个噪声子空间特征向量，构造空间方位谱；
(6)、搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值。
本发明的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：该方法利用球麦克风阵列三维空间旋转对称结构，对声场进行充分的采样，采用高分辨率谱估计和降维子的噪声空间，在不增加运算量的同时，准确地估计声源方位，能广泛用于语音信号处理等领域。
附图说明
图1为本发明一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法的流程图；
图2为本发明的球麦克风阵列采集空间声场的球坐标系示意图；
图3为本发明的谱峰搜索方法的空间方位谱图；
图4为本发明的谱峰搜索方法的流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下作进一步的详细描述：
本方法的流程参见图1，本发明的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，利用球麦克风阵列采集空间声场，结合空间谱估计技术和降维的噪声子空间进行多声源定位，其具体实施步骤如下：
(1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数，其具体如下：
建立球坐标系，如图2所示，图中，点代表分布在半径为的球麦克风阵列上的相互独立、各向同性的阵元，阵元的总数为；坐标系原点o选取为球麦克风阵列的球心，位于球面点处的阵元采用它的俯仰角和方位角表示。当球麦克风阵列采集声场时，麦克风记录的是声场的声压信息，波数为, ，为波长，从方向入射到球阵列的单位幅度的远场声源信号，信源的俯仰角是信源入射方向和z轴的夹角，，方位角是从x轴沿逆时针方向到信源入射方向在xoy平面上投影的夹角，，在球面点处的声压为球谐函数的级数形式：
                （1）
其中，上标“*”表示复共轭，、表示阶数，和分别表示入射声压和散射声压，当声源信号入射到开放球表面时，声压信号只包含入射声场的声压，当声源信号入射的球面为刚性球面，在刚性球面的声压为入射声场声压与散射声场声压的叠加，
、为球谐函数，球谐函数的表达式为：
                  （2）
其中，，为联合勒让德函数，联合勒让德函数的表达式为：
                    （3）
其中，表示任一未知数，表示求阶导数，为勒让德多项式，表示为：
                        （4）
对于不同结构的球阵列，模态强度为：
             （5）
其中，、分别为阶球贝塞尔函数和阶球汉克尔函数，和分别是阶球贝塞尔函数和阶球汉克尔函数的导数；
(2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型，其具体如下：
假设高斯白噪声环境，空间中个幅度分别为的远场窄带声源信号分别从个不同方向同时入射到球麦克风阵列，第个阵元上的接收信号为：
                     （6）
其中，，，表示第个阵元上的附加噪声，均值为0，方差为，且与信号之间相互独立，表示方向的单位幅度声源信号在第个阵元上声压，根据式（1），设置球谐函数的最高阶数为，满足，，表达为：
                       （7）
其中，上标代表矩阵共轭转置运算，维矩阵、由球谐函数组成：是由变量为阵元位置的球谐函数组成，是由变量为声源位置的球谐函数组成，
是一维的对角矩阵，其元素由模态强度组成：
           （8）
的下标表示阶数，，
将球面上所有个阵元上的接收数据组成维观测数据向量：
                （9）
同时定义维观测噪声向量：
                （10）
得到球谐域阵列接收含噪声源信号模型：
                    （11）
其中，，是由声源的幅度值组成的向量，是由声压值组成的维矩阵，其表达式如下：
                    （12）
其中，矩阵表示第个声源信号在球面各个阵元点上的声压，共个声压值：
                  （13）
其中上标表示矩阵的转置运算，元素表示第个声源信号阵元点上的声压；
(3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收数据的协方差矩阵，其具体如下：
构建阵列接收数据的协方差矩阵，其表达式为：
                 （14）
其中，为噪声功率，是一单位矩阵，是源信号的协方差矩阵，是第个声源信号的功率；
(4)、对步骤(3)中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间、噪声子空间，其具体如下：
对接收数据的协方差矩阵进行特征分解得到个特征向量和个特征值，且
                 （15）
其中，是第个声源信号的功率，为噪声功率，前个特征值明显大于后个特征值，分解表达为：
                     （16）
其中，是由前个大特征值构成的对角阵：
              （17）
是由这些大特征值对应的特征向量张成的子空间，即信号子空间：
                         （18）
是余下个小特征值构成的对角阵：
                      （19）
是由这些小特征值对应的特征向量张成的子空间，即噪声子空间：
                          （20）
(5)、利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，从步骤(4)中所得到的噪声子空间中提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱，其具体如下：
(5‑1)、定义信号子空间的导向矢量，
利用信号子空间的导向矢量与噪声子空间近似正交，即，根据式（2）所述的球谐函数和式（8）所述的模态强度矩阵，定义信号子空间的导向矢量，其表达式为：
（21）
其中，空间俯仰角和方位角扫描整个空间方位，其变化范围分别为、，是一维矩阵，其表达式为：
      （22）
(5‑2)、构造标准空间方位谱，在噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱，其具体如下：
设导向矢量与噪声子空间相乘之积的倒数为标准空间方位谱，其表达式为：
                           （23）
其中，为维矩阵，为维矩阵，从噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，，构造空间方位谱，其表达式为：
                （24）
(6)、搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值，如图4所示，其具体如下：
上述空间方位谱函数为一个搜索空间俯仰角和方位角的函数，图3是一个阵元的等角度分布的球麦克风阵列，在空间具有4个声源信号时候式（24）对应的空间方位谱图，轴是搜索角度的值，范围是，轴是搜索角度的值，范围是，轴代表谱值。谱峰所在很小的范围内，在这些小范围内进行小步进搜索，得到空间方位谱的谱峰位置，提取出声源的空间方位，每次步进搜索中，式（23）需要进行次复数乘法，式（24）在需次复数乘法运算，降为式（23）运算量的，在球麦克风阵列的声源定位算法中，阵元数，大大减小了搜索量，空间方位谱的谱峰搜索的过程如下：
(6‑1)、在轴上范围内，等间距选择个值：，轴上范围内，等间距选择个值，，为声源个数，代入式（24），计算对应的谱值，进而确定门限值，其表达式为：
                       （25）
其中，；
(6‑2)、统计出大于门限的谱值的个数，
选择轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，进行第次步进谱峰搜索，依次把点代入式（24），计算对应的谱值，分别将各对应的谱值与门限值逐个比较，统计出大于门限值的谱值的个数；
(6‑3) 判断步骤(6‑2)所述的大于门限的谱值的个数是否小于信号源的个数，若步骤(6‑2)中所述的大于门限的谱值的个数小于信号源个数，则转步骤(6‑2)，继续进行第次谱峰搜索，直至大于门限的谱值个数大于或等于信号源个数；若步骤(6‑2)中所述的大于门限的谱值的个数大于或等于信号源个数，则转步骤(6‑4)；
(6‑4)、以个大于门限的谱峰对应的搜索值构成取值域，在取值域内进行步进谱峰搜索，得到个取值域内谱峰对应的搜索值，其具体如下：
若第次步进谱峰搜索中大于门限值的谱峰个数,记下大于门限值的谱值对应的搜索值，选取搜索值点为长方形的中心，构成一个长方形的取值域：轴上的取值范围为，轴上的取值范围为，其中，在构成的个取值域内，选取轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，依次进行步进谱峰搜索，得到各个取值域内谱峰对应的搜索值，；
(6‑5)、确定声源方位的估计值，其具体如下：
若（6‑4）中大于门限的谱峰个数等于信源个数，则步骤（6‑4）中谱峰搜索得到的搜索值是声源方位的估计值，其中，；
若（6‑4）中大于门限的谱峰个数大于信源个数,则把步骤（6‑4）中谱峰搜索得到的搜索值代入式（23）计算，得到个谱峰值，把个谱峰值按从小到大的顺序排列，删除前个谱峰值，剩下个谱峰值，个谱峰值对应的搜索值是声源方位的估计值，其中。

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1、(10)申请公布号 CN 102866385 A (43)申请公布日 2013.01.09 CN 102866385 A *CN102866385A* (21)申请号 201210331009.1 (22)申请日 2012.09.10 G01S 5/20(2006.01) (71)申请人上海大学地址 200444 上海市宝山区上大路 99 号 (72)发明人宋涛黄青华彭昌友许广宏 (74)专利代理机构上海上大专利事务所 ( 普通合伙 ) 31205 代理人陆聪明 (54) 发明名称一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法 (57) 摘要本发明公开了一种基于球麦克风阵列的多声。

2、源定位方法：首先将球麦克风阵列采集高阶声场进行球谐函数分解，建立球谐域阵列接收的含噪声源信号模型；然后表达阵列接收数据的协方差矩阵；接着，根据子空间分解方法将协方差矩阵进行划分，得到两个相互正交的信号子空间和噪声子空间；再利用上述信号子空间和噪声子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量并提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱；最后，搜索方位谱函数的谱峰位置，确定声源的空间方位。该方法利用球麦克风阵列三维空间旋转对称结构，对声场进行充分的采样，结合高分辨率的谱估计和降维的噪声子空间，显著降低运算量，准确地估计声源方位，能广泛。

3、用于语音信号处理等领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页说明书 7 页附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 3 页说明书 7 页附图 4 页 1/3 页 2 1. 一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数； (2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型； (3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收信号的协方差矩阵； (4)。

4、、对步骤 (3) 中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间、噪声子空间； (5)、利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，构造标准空间方位谱，并从步骤 (4) 中所得到的噪声子空间中提取出一个噪声子空间特征向量，构造空间方位谱； (6)、搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，其特征在于，上述步骤 (5) 中所述的利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，构造标准空间方位谱，并从步骤 (4) 中所得到的。

5、噪声子空间中提取出一个噪声子空间特征向量，构造空间方位谱，其具体如下： (5-1)、定义信号子空间的导向矢量，利用信号子空间的导向矢量与噪声子空间近似正交，即，定义信号子空间的导向矢量表达式为：其中，空间俯仰角和方位角扫描整个空间方位，其变化范围分别为、，是一维矩阵，其元素由变量为阵元位置的球谐函数组成，表达式为： (5-2)、构造标准空间方位谱，并在噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱：设导向矢量与噪声子空间相乘之积的倒数为标准空间方位谱，其表达式为：权利要求书 CN 102866385 A 2 2/3 页。

6、 3 其中，为维矩阵，为维矩阵，从噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，有，构造空间方位谱，其表达式为：。 3. 根据权利要求 2 所述的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，其特征在于，上述步骤（6）中所述的搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值，其具体下：空间方位谱函数为一个搜索空间俯仰角和方位角的函数，空间方位谱函数可用三维的空间方位谱图表示，轴是搜索角度的值，范围是，轴是搜索角度的值，范围是，轴代表谱值，谱峰所在很小的范围内，在这些小范围内进行小步进搜索，得到空间方位谱的谱峰位置，确定声源的。

7、空间方位，空间方位谱的谱峰搜索的过程如下： (6-1)、在轴上范围内，等间距选择个值：，轴上范围内，等间距选择个值，为声源个数，带入计算对应的谱值，进而确定门限值，其表达式为：其中，； (6-2)、统计出大于门限的谱值的个数；选择轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，进行第次步进谱峰搜索，依次把点代入，计算对应的谱值，分别将各对应的谱值与门限值逐个比较，统计出大于门限值的谱值的个数； (6-3) 判断步骤 (6-2) 所述的大于门限的谱值的个数是否小于信号源的个数，若步骤 (6-2) 中所述的大于门限的谱值的个数小于信号源个数，则转步骤。

8、 (6-2)，继续进行第次谱峰搜索，直至大于门限的谱值个数大于或等于信号源个数；若步骤 (6-2) 中所述的大于门限的谱值的个数大于或等于信号源个数，则转步骤 (6-4) ； (6-4)、以个大于门限的谱峰对应的搜索值构成取值域，在取值域内进行步进谱峰权利要求书 CN 102866385 A 3 3/3 页 4 搜索，得到个取值域内谱峰对应的搜索值，其具体如下：若第次步进谱峰搜索中大于门限值的谱峰个数, 记下大于门限值的谱值对应的搜索值，选取搜索值点为长方形的中心，构成一个长方形的取值域：轴上的取值范围为，轴上的取值范围为，其中，在构成的个取。

9、值域内，选取轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，依次进行步进谱峰搜索，得到各个取值域内谱峰对应的搜索值，； (6-5)、确定声源方位的估计值，其具体如下：若（6-4）中大于门限的谱峰个数等于信源个数，则步骤（6-4）中谱峰搜索得到的搜索值是声源方位的估计值，其中，；若（6-4）中大于门限的谱峰个数大于信源个数, 则把步骤（6-4）中谱峰搜索得到的搜索值代入式（23）计算，得到个谱峰值，把个谱峰值按从小到大的顺序排列，删除前个谱峰值，剩下个谱峰值，个谱峰值对应的搜索值是声源方位的估计值，其中。权利要求书 CN 10286638。

10、5 A 4 1/7 页 5 一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法技术领域 0001 本发明涉及一种基于球麦克风阵列的三维空间多声源定位方法，可广泛用于语音信号处理等领域。具体是基于空间方位谱估计原理，结合降维子空间，将球谐域阵列接收信号模型进行协方差运算，划分相互正交的子空间，提取噪声子空间特征向量，构造出 “针状” 空间谱峰，最终通过谱峰搜索得到声源的位置。与传统的声源定位方法相比，本方法充分利用了空间方位谱估计的高分辨率特性和降维子空间运算量低的特点，达到快速、精确的声源定位效果。背景技术 0002 声源定位技术，即确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣。

11、的信号的空间位置，是阵列信号处理的重要技术之一。利用麦克风阵列对声源信号的方位估计是声源定位的基本方法，它是将一组麦克风传感器按一定方式布置在空间不同位置上，形成麦克风阵列；用麦克风阵列来接收空间声源信号，再对阵列接收的信号进行处理，提取有用的信号特征，再通过一定的算法求解最终得到信号源的方位信息。 0003 球麦克风阵列与传统的一维直线麦克风阵列、二维平面麦克风阵列等几何阵列相比，具有的优点是：三维空间的旋转对称结构、高空间分辨率、空间任意方向的波束形成及球傅里叶正交分解框架等，能够对声场进行更加充分地采样，因此在三维空间的多声源定位方面更具有优。

12、势。 0004 目前针对球麦克风阵列的声源定位方法主要是基于时域上的可控波束形成，或者是基于球谐域上的平面波分解。前者是对球麦克风阵列所采集到的声源信号滤波加权求和来形成波束，然后通过搜索声源可能的位置来引导波束，得到使波束有最大输出功率的为声源的方位。基于可控波束形成的球麦克风阵列声源定位方法的缺点是：需要进行全局搜索，运算量极大，故很难实现；基于平面波分解的球麦克风阵列声源定位方法是：首先，把声场进行球谐分解变换到球谐域中，获取直射声场的声压，然后，根据在声源直射方向会出现入射平面波幅值的峰值点的原理，在球面空间中搜索入射平面波幅值的极大值，。

13、极大值对应的球面位置坐标为声源的方位。此方法的缺点是对声源较多时的定位效果差，而且声源定位的精度主要受所使用的球麦克风阵列阶数大小的影响，增加麦克风的数目，虽然可以提高阵列的阶数，但是同时增加了信号采集的路数，导致计算复杂度的增加。还有一种时延估计也是一种有效的声源定位技术，但是其受噪声干扰较大，且球麦克风阵列的阵元间距小，致使现实中也很难获得精确的时延，不具有实用价值。发明内容 0005 本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，该方法能克服传统方法计算量大、定位精度不高的不足，显著降低运算量，准确估计声源方。

14、位。 0006 为了达到上述目的，本发明的构思是：首先将球麦克风阵列采集高阶声场进行球说明书 CN 102866385 A 5 2/7 页 6 谐函数分解，建立球谐域阵列接收的含噪声源信号模型；然后表达阵列接收数据的协方差矩阵；接着，根据子空间分解方法将协方差矩阵进行划分，得到两个相互正交的信号子空间和噪声子空间；再利用上述信号子空间和噪声子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱；最后，搜索方位谱函数的谱峰位置，确定声源的空间方位。 0007 根据上述发明构思，本发明采用的技术方案是：一种。

15、基于球麦克风阵列的多声源定位方法主要包括以下几个步骤： (1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数； (2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型； (3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收信号的协方差矩阵； (4)、对步骤 (3) 中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间、噪声子空间； (5)、利用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，构造标准空间方位谱，从步骤 (4) 中所得到的噪声子空间中提取出一个噪声子空间特。

16、征向量，构造空间方位谱； (6)、搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值。 0008 本发明的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：该方法利用球麦克风阵列三维空间旋转对称结构，对声场进行充分的采样，采用高分辨率谱估计和降维子的噪声空间，在不增加运算量的同时，准确地估计声源方位，能广泛用于语音信号处理等领域。附图说明 0009 图 1 为本发明一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法的流程图；图 2 为本发明的球麦克风阵列采集空间声场的球坐标系示意图；图 3 为本发明的谱峰。

17、搜索方法的空间方位谱图；图 4 为本发明的谱峰搜索方法的流程图。具体实施方式 0010 为了更好地理解本发明的技术方案，以下作进一步的详细描述：本方法的流程参见图 1，本发明的一种基于球麦克风阵列的多声源定位方法，利用球麦克风阵列采集空间声场，结合空间谱估计技术和降维的噪声子空间进行多声源定位，其具体实施步骤如下： (1)、建立球坐标系，描述球麦克风阵列上每个阵元的位置，设置球麦克风阵列采集高阶声场声压的球谐函数，其具体如下：建立球坐标系，如图 2 所示，图中，点代表分布在半径为的球麦克风阵列上的相互说明书 CN 102866385 A 6 。

18、3/7 页 7 独立、各向同性的阵元，阵元的总数为；坐标系原点o选取为球麦克风阵列的球心，位于球面点处的阵元采用它的俯仰角和方位角表示。当球麦克风阵列采集声场时，麦克风记录的是声场的声压信息，波数为, ，为波长，从方向入射到球阵列的单位幅度的远场声源信号，信源的俯仰角是信源入射方向和z轴的夹角，方位角是从x轴沿逆时针方向到信源入射方向在xoy平面上投影的夹角，，在球面点处的声压为球谐函数的级数形式：（1）其中，上标 “*” 表示复共轭，、表示阶数，和分别表示入射声压和散射声压，当声源信号入射到开放球表面时，声压信号只包含入射声场的声压，当。

19、声源信号入射的球面为刚性球面，在刚性球面的声压为入射声场声压与散射声场声压的叠加，、为球谐函数，球谐函数的表达式为：（2）其中，为联合勒让德函数，联合勒让德函数的表达式为：（3）其中，表示任一未知数，表示求阶导数，为勒让德多项式，表示为：（4）对于不同结构的球阵列，模态强度为：（5）其中，、分别为阶球贝塞尔函数和阶球汉克尔函数，和分别是阶球贝塞尔函数和阶球汉克尔函数的导数； (2)、建立球谐域阵列接收含噪声源信号模型，其具体如下：假设高斯白噪声环境，空间中个幅度分别为的远场窄带声源信号分别从个不同方向同时入射到球麦克风阵列，第个阵。

20、元上的接收信号为：说明书 CN 102866385 A 7 4/7 页 8 （6）其中，表示第个阵元上的附加噪声，均值为 0，方差为，且与信号之间相互独立，表示方向的单位幅度声源信号在第个阵元上声压，根据式（1），设置球谐函数的最高阶数为，满足，表达为：（7）其中，上标代表矩阵共轭转置运算，维矩阵、由球谐函数组成：是由变量为阵元位置的球谐函数组成，是由变量为声源位置的球谐函数组成，是一维的对角矩阵，其元素由模态强度组成：（8）的下标表示阶数，将球面上所有个阵元上的接收数据组成维观测数据向量：（9）同时定义维观测噪声向量：。

21、（10）得到球谐域阵列接收含噪声源信号模型：（11）其中，是由声源的幅度值组成的向量，是由声压值组成的维矩阵，其表达式如下：（12）其中，矩阵表示第个声源信号在球面各个阵元点上的声压，共个声压值：（13）其中上标表示矩阵的转置运算，元素表示第个声源信号阵元点上的声压； (3)、利用信号的二阶统计特性，将建立的球谐域信号模型进行协方差运算，得出球麦克风阵列接收数据的协方差矩阵，其具体如下：构建阵列接收数据的协方差矩阵，其表达式为：（14）说明书 CN 102866385 A 8 5/7 页 9 其中，为噪声功率，是一单位矩阵，。

22、是源信号的协方差矩阵，是第个声源信号的功率； (4)、对步骤 (3) 中得到的协方差矩阵进行特征分解，分别得到信号子空间、噪声子空间，其具体如下：对接收数据的协方差矩阵进行特征分解得到个特征向量和个特征值，且（15）其中，是第个声源信号的功率，为噪声功率，前个特征值明显大于后个特征值，分解表达为：（16）其中，是由前个大特征值构成的对角阵：（17）是由这些大特征值对应的特征向量张成的子空间，即信号子空间：（18）是余下个小特征值构成的对角阵：（19）是由这些小特征值对应的特征向量张成的子空间，即噪声子空间：（20） (5)、利。

23、用噪声子空间和信号子空间的正交性，定义信号子空间的导向矢量，从步骤 (4) 中所得到的噪声子空间中提取出噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱，其具体如下： (5-1)、定义信号子空间的导向矢量，利用信号子空间的导向矢量与噪声子空间近似正交，即，根据式（2）所述的球谐函数和式（8）所述的模态强度矩阵，定义信号子空间的导向矢量，其表达式为：（21）其中，空间俯仰角和方位角扫描整个空间方位，其变化范围分别为、说明书 CN 102866385 A 9 6/7 页 10 ，是一维矩阵，其表达式为：（22） (5-2)、构造标准空间方位谱，。

24、在噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱，其具体如下：设导向矢量与噪声子空间相乘之积的倒数为标准空间方位谱，其表达式为：（23）其中，为维矩阵，为维矩阵，从噪声子空间中提取噪声子空间的一个特征向量，构造空间方位谱，其表达式为：（24） (6)、搜索方位谱的谱峰位置，提取出峰值对应的搜索值，确定声源方位的估计值，如图 4 所示，其具体如下：上述空间方位谱函数为一个搜索空间俯仰角和方位角的函数，图 3 是一个阵元的等角度分布的球麦克风阵列，在空间具有 4 个声源信号时候式（24）对应的空间方位谱图，轴是搜索角度的值，。

25、范围是，轴是搜索角度的值，范围是，轴代表谱值。谱峰所在很小的范围内，在这些小范围内进行小步进搜索，得到空间方位谱的谱峰位置，提取出声源的空间方位，每次步进搜索中，式（23）需要进行次复数乘法，式（24）在需次复数乘法运算，降为式（23）运算量的，在球麦克风阵列的声源定位算法中，阵元数，大大减小了搜索量，空间方位谱的谱峰搜索的过程如下： (6-1)、在轴上范围内，等间距选择个值：，轴上范围内，等间距选择个值，为声源个数，代入式（24），计算对应的谱值，进而确定门限值，其表达式为：（25）说明书 CN 102。

26、866385 A 10 7/7 页 11 其中，； (6-2)、统计出大于门限的谱值的个数，选择轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，进行第次步进谱峰搜索，依次把点代入式（24），计算对应的谱值，分别将各对应的谱值与门限值逐个比较，统计出大于门限值的谱值的个数； (6-3) 判断步骤 (6-2) 所述的大于门限的谱值的个数是否小于信号源的个数，若步骤 (6-2) 中所述的大于门限的谱值的个数小于信号源个数，则转步骤 (6-2)，继续进行第次谱峰搜索，直至大于门限的谱值个数大于或等于信号源个数；若步骤 (6-2) 中所述的大于门限的谱值的个数大于或等于信号源。

27、个数，则转步骤 (6-4) ； (6-4)、以个大于门限的谱峰对应的搜索值构成取值域，在取值域内进行步进谱峰搜索，得到个取值域内谱峰对应的搜索值，其具体如下：若第次步进谱峰搜索中大于门限值的谱峰个数, 记下大于门限值的谱值对应的搜索值，选取搜索值点为长方形的中心，构成一个长方形的取值域：轴上的取值范围为，轴上的取值范围为，其中，在构成的个取值域内，选取轴上的搜索步长为，轴上的搜索步长为，依次进行步进谱峰搜索，得到各个取值域内谱峰对应的搜索值，； (6-5)、确定声源方位的估计值，其具体如下：若（6-4）中大于门限的谱峰个数等于信源个数，。

28、则步骤（6-4）中谱峰搜索得到的搜索值是声源方位的估计值，其中，；若（6-4）中大于门限的谱峰个数大于信源个数, 则把步骤（6-4）中谱峰搜索得到的搜索值代入式（23）计算，得到个谱峰值，把个谱峰值按从小到大的顺序排列，删除前个谱峰值，剩下个谱峰值，个谱峰值对应的搜索值是声源方位的估计值，其中。说明书 CN 102866385 A 11 1/4 页 12 图 1 说明书附图 CN 102866385 A 12 2/4 页 13 图 2 说明书附图 CN 102866385 A 13 3/4 页 14 图 3 说明书附图 CN 102866385 A 14 4/4 页 15 图 4 说明书附图 CN 102866385 A 15 。

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