基于时延估计的麦克风阵列一致性分析

基于麦克风阵列的声源定位技术广泛应用于现场录音及会议通信等领域.常用的麦克风阵列声源定位技术中,时延估计是一种硬件成本低、计算量小且易于实现的算法.影响麦克风阵列时延估计的因素很多,麦克风阵列阵元的一致性性能是其中之一.基于相位变换的广义互相关算法,提出了一种新的麦克风阵列阵元一致性估计指标.构建3组阵元一致性指标不同的麦克风阵列,开展了对实际声源的角度估计.计算麦克风阵列对声源角度的估计时延和声源角度的理想时延之间的差值,建立了其与声源角度估计误差的方差关系,提出了基于时延估计误差的麦克风阵列阵元一致性估计指标,并验证了该指标在麦克风阵列阵元选择上的实际指导意义.     

麦克风阵列声源定位中时延估计的改进

时延估计是阵列信号处理中的关键技术,是麦克风阵列声源定位系统中常用的方法.影响麦克风阵列声源定位性能的因素有很多,混响就是其中之一.通常麦克风阵列定位系统多处于室内环境中,除了其他干扰噪声和环境噪声的影响外,声源本身经过环境反射造成的混响也会对其性能造成较大的影响.本文在互相关原理的基础上,综合两种不同的频域加权算法,PATH加权和ML加权进行改进,弥补了原算法不能同时稳健噪声和混响的不足,并得到多种环境下的最优q值,降低了多径效应对估计阵元间的相对时间延迟的影响,提高了时延估计的准确率和声源定位精度.实验结果证实了新方法的时延估计准确率高和最优q值的有效性.     

基于到达时间差的声源定位算法与实现

基于到达时间差的声源定位方法由时延估计和定位估计两部分构成,第一步的误差会带入到第二步从而造成累积误差,影响最终定位精度.针对这一问题,本文提出了一种改进的声源定位方法,采用累积互功率谱相位时延估计,并在此基础上结合球形插值算法进行定位.为了验证该算法在实际声场环境下的可行性和有效性,构建了三维麦克风阵列声源定位系统.实验结果表明,本文所提出的方法可以有效减少误差,提高最终定位精度.     

基于次梯度投影的数字助听器自适应声源定位方法

该方法在特征值分解算法的基础之上,利用次梯度投影方法自适应估计声源到麦克风的脉冲响应系数,进而估计出各麦克风之间时延,并利用几何方法定位声源在3D空间的位置.与传统的基于广义互相关的时延估计算法相比,提出的算法在房间反射与共振的情况下定位精度更高;与基于NLMS算法的自适应特征值分解时延估计算法相比,提出的算法收敛速度更快,并且在强噪声的情况下鲁棒性更强.基于眼镜数字助听器声源定位系统的实验与仿真研究了麦克风阵不同的几何尺寸对算法性能和定位精度的影响,证明了在不同信噪比情况下该算法都能有效定位声源的3D空间位置.     

面向多声源的压缩感知麦克风阵列的波达方向估计

在语音识别、说话人识别等语音交互应用领域中,麦克风阵列常常工作于多声源工作场景,因而需要更高的波达方向(DOA)估计分辨性能.压缩感知(CS)的DOA估计算法可将声源定位的问题转化成稀疏信号的重构问题,进而提高在高混响、低信噪比环境下的DOA估计性能.基于这一思想,将CS方法应用于多声源方位估计.考虑到传统的基于CS的DOA估计算法利用实测声源传输响应作为混合矩阵时,会因噪声的存在而导致多声源条件下的匹配程度下降,提出了利用基于阵列各阵元之间时延关系所生成的不同方位的声源传输响应来构造CS混合矩阵,即构造房间冲激响应CS(CRR-CS)的DOA估计算法,从而实现多声源的DOA稀疏恢复.通过实验验证了该方法优于传统方法,能更好地实现定位.     

基于广义互相关改进的麦克风阵列声源定位方法

基于麦克风阵列的声源定位技术因其安全性和隐蔽性,涉及军事和民用等诸多领域.其定位方法大体可以分为三类:基于到达时延估计(Time Difference of Arrival,TDOA)、基于最大输出功率的可控波束形成和高分辨率谱估计,其中基于广义互相关(Generalized Cross Correlation,GCC)的时延估计进行声源定位的算法因其运算量小、定位精度高而得到了广泛的应用.但在实际应用中,环境噪声的存在使传统的GCC加权算法的定位精度不高,所以有一定的局限性.针对这一问题,构建三元直角三角形麦克风阵列,利用时延估计进行声源定位,改进传统的PHAT相位加权算法,提出基于广义互相关的SCOT/PHAT联合加权时延估计算法.通过对不同加权函数的广义互相关时延估计算法进行Matlab仿真对比,结果表明:在小信噪比环境下,该算法较传统的广义互相关算法具有更强的抗噪能力.     

一种改进的AEDA声源定位及跟踪算法

开展了基于麦克风阵列的真实声场环境声源定位的工作。针对传统的自适应特征值分解时延估计算法收敛时间慢、对初值敏感以及不能有效跟踪时延变化等问题,提出了一种改进的自适应特征值分解时延估计算法,该方法通过改进初值设定方法,有效改善了对时延变化的估计。另外,通过引入一个基于相关运算的语音检测算法,提高了定位系统的抗噪声能力。实验表明在真实的声场环境下该算法能够对单个声源的三维空间位置进行实时的定位和跟踪,系统在 1.5m 范围内对声源的定位误差小于 8cm ,声源位置变化时,系统也能准确跟踪声源的位置。     

基于麦克风阵列的语音信号实时时延估计

为了更好地利用麦克风阵列定位语音信号,得到更高的定位精度,研究了时延估计算法的构成方法与性能特征,分析了定位过程中误差的产生原因与环境,提出了切实可行的减小或消除相应误差的办法。该算法利用同一语音信号分别到达各麦克风的时间差,进行关系换算。利用Matlab在电脑上仿真的定位结果表明,该修改方法能大大改善定位的准确性,提高时延估计算法在实际应用中的利用率。     

基于改进时延估计的声源定位算法

针对强噪声和强混响条件下, 室内声源定位算法收敛速度慢和定位精度低等问题, 提出一种基于改进时延估计的声源定位方法. 该方法建立在单源多元混响模型下, 首先用四元十字型麦克风阵列估计时延; 然后在广义互相关时延估计算法的基础上, 引入二次相关法以削弱噪声干扰, 同时采用LMS(最小均方)自适应滤波算法弥补广义互相关方法的不足, 提高混响环境下的时延估计精度; 最后, 通过远场近似几何方法定位声源. 实验结果表明, 与相位变换加权广义互相关函数(GCC-PHAT)算法相比, 该方法具有较好的抗噪能力与抗混响能力, 能获得更准确的定位结果.     

基于压缩感知的麦克风阵列声源定位算法

为了提高麦克风阵列在高混响、低信噪比环境中的定位性能,提出了一种基于压缩感知的声源定位算法.该算法将声源定位问题转化为稀疏信号的重构问题,将不同位置的房间冲激响应作为特征以构建字典.首先,将麦克风接收信号转换至频域,从具有较高能量的频点中求得一组扩展的频域声源信号矢量,该矢量中包含了声源的位置信息.然后,在频域中整合这些扩展的声源信号矢量,使声源的位置信息更突出,矢量中最大元素所对应的空间位置即为声源的位置估计.仿真实验结果表明,与相位变换加权的可控响应功率(SRP-PHAT)定位算法相比,所提算法的定位成功率更高,对混响的鲁棒性更强,更适合高混响低信噪比环境中的声源位置估计.     

基于TDOA麦克风阵列声源定位技术

随着科技的进步和发展,声源定位技术已经成为人们研究的重要课题之一。基于声达时间差(TDOA)是阵列语音信号处理的核心技术,其作用是估算出同一声源信号到达不同麦克风时,因为传输的距离不相同而引起的时间差。麦克风阵列对于室内环境噪声抑制、声源定位、跟踪这些方面都比单个麦克风有优势,从而优化语音信号采样质量。该文主要讲的是用麦克风阵列和时延估计声源定位方法对声源进行定位及跟踪。     

采用可调波束形成器的GSC麦克风阵列语音增强方法

基于广义旁瓣抵消器(generalized sidelobe canceller,GSC)算法的麦克风阵列语音增强技术已得到广泛研究,但由于其通常需传统的声源定位方法提供声源方位,语音信号信噪比(SNR)低时声源定位精度将明显下降并影响到语音增强效果.提出了一种新的麦克风阵列语音增强方法,该方法在GSC中引入可调波束形成器估计声源方位以抑制背景噪声影响.不同类型背景噪声下的实验室语音增强结果表明了该方法的有效性.     

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.     

基于互相关序列和BP网络的声源定位算法

在基于麦克风阵列的声源定位算法中,一种常用算法的基本思路是通过麦克风接收到信号的相关序列来计算信号之间的时延,进而再根据阵列的结构确定声源的位置。在分析传统的声源定位算法基础上,针对双五元十字阵模型,介绍传统的基于广义互相关相位变换加权(generalized cross correlation-phase transform, GCC-PHAT)时延估计的定位算法,并给出基于GCC-PHAT时延估计和反向传播(back propagation, BP)神经网络的定位算法、基于抛物线互相关时延估计和BP网络的定位算法,进而通过分析影响时延估计的主要因素,提出了基于互相关序列和BP网络的新定位算法,该算法将GCC-PHAT互相关序列最大值点的位置、最大值点及其左右各一点的相关值作为BP网络的输入,通过对BP网络进行训练来实现声源的三维定位。仿真实验表明：与传统的基于GCC-PHAT时延估计的定位算法相比,所提出的各个算法均具有较好的定位效果,后者均比前者的定位精度更高,而且提出的基于互相关序列和BP网络的新定位算法在低信噪比和高混响的条件下,也具有较好的定位效果。     

近场声源方位和距离联合估计算法

为提高近场麦克风阵列的声源定位精确度,对基于麦克风阵列的声源定位技术进行研究.详细分析了近场信号传播模型,并结合窄带子空间算法,对宽带ISM(Incoherent Signal-Subspace Method)算法进行改进,提出一种近场子空间声源方位和距离联合估计算法.该算法根据短时信号的频率特性,在特定频率上对信号应用子空间算法进行方向距离联合估计并对结果进行叠加,从而得到最终结果.该算法在相关信源和混响条件下均能得到较好的DOA(Direction-of-Arrival)估计效果.计算机仿真验证了算法的有效性.     

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TDE技术的声源定位算法

针对基本互相关法在估计时延时没有明显的峰值及实际环境中的噪声会减损峰值,甚至出现伪峰的问题,提出了一种基于广义互相关的改进时延估计方法,并结合麦克风阵列结构,实现了基于两步定位的声源定位.通过仿真实验验证了该方法在有噪声的环境下能准确测量声源的位置,定位的平均距离误差和平均方向角误差都低于5%,且方向角在30°～150°、距离在1.1～2.3m时定位成功率达80%以上.     

一种基于离散时延的鲁棒声源三维定位方法

为了减少相位变换加权的可控响应功率(SRP-PHAT)声源定位算法的计算量,提出一种基于离散时延的改进算法.该方法首先利用FFT将麦克风阵列的每一帧接受信号变换到频域,然后在频域补零至16倍帧长,再运用IFFT将所有麦克风对的广义互相关函数在搜索之前计算好,从而可大幅度减少计算量.频域补零提高了广义互相关函数的采样率,因而由时延离散带来的定位误差很小.仿真结果表明,无论在远场还是近场条件下,该算法均能将计算量降低一个数量级而保持原算法的鲁棒性.     

基于空间重构相干声源的麦克风阵列性能评价技术研究

基于波束形成算法的麦克风阵列系统被广泛应用于噪声源定位中，空间分辨率、动态范围是阵列进行多声源定位中的关键性能参数．工程中常用的阵列性能评估方法为小尺寸声源测试法，受声源尺寸及指向性的影响，其在使用不同声源对同一阵列进行测试时，测试结果往往有较大误差，且该测试方法对环境要求较高．基于此，本文提出了一种基于多通道标准耦合腔声源的空间声源重构方法，可重构出任意位置、频率及强度的空间点声源，通过标准耦合腔输出至对应坐标的麦克风传感器，重构两个相干点声源可代替实际空间小尺度声源对麦克风阵列性能参数进行测量分析．本文选取工程中常用的30通道螺旋形麦克风阵列，分别进行数值模拟、标准耦合腔实验及实际小尺寸声源对比实验．在2～4 kHz频段内，多通道耦合腔标准相干声源对阵列的测试结果与数值模拟结果高度一致，表明该方法的有效性．实际小尺寸声源的对比实验结果表明：耦合腔标准声源重构法受测试环境影响程度更低，分析麦克风阵列性能时测量误差小、精度高．     

基于自适应有限差分粒子滤波的说话人跟踪

针对非线性说话人跟踪系统,提出一种基于自适应有限差分粒子滤波算法的麦克风阵列声源定位与跟踪方法.该方法在改进的粒子滤波框架内,采用适应性较强的布朗运动模型,通过计算麦克风阵列波束形成器的输出能量来构建似然函数,有效降低观测误差的不确定性对说话人位置估计的影响,一定程度上提升了说话人跟踪系统的精度.实验结果表明,该方法在基于麦克风阵列的说话人跟踪系统中具有较高的精确性.