一种声源定向装置、定向方法、声源定位系统和定位方法

摘要

本发明提供一种声源定向装置、定向方法、声源定位系统和定位方法，所述声源定向装置包括：电路板；FPGA芯片，安装在电路板上；差分麦克风阵列，安装在电路板上，并与FPGA芯片耦接，其中，差分麦克风阵列包括四个等间距分布的全向性麦克风，且四个差分麦克风阵列围成一圆周。本发明通过在声源定向装置中设置FPGA芯片，提高了声源定向装置的集成度；另外，本发明在电路板上设置了四个等间距分布的全向性麦克风，通过优化收集数据装置的位置，简化了声源定向装置获取方位角的计算，提高了处理速度。

说明书

技术领域

本发明涉及语音信号处理领域，尤其涉及一种声源定向装置、定向方法、声源定位系统和定位方法。

背景技术

声源定位是被动目标定位技术的一个分支，由于其在声源分离、声源跟踪和语音增强方面的潜力，越来越受到关注。随着数字信号处理和阵列信号处理技术的发展，基于麦克风阵列的声源定位系统已应用于嘈杂环境下的音视频会议、安防监控和智能机器人定位。

然而，现有的声源定位技术中，由于声源定位系统结构复杂，存在系统集成度低的问题；并且由于声源定位的计算量大，存在处理速度慢的问题。

因此，亟需解决现有技术中对声源进行定位时，系统集成度低，以及由于计算量大导致的处理速度慢的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种声源定向装置、定向方法、声源定位系统和定位方法，用以解决现有技术中对声源进行定位时，系统集成度低，并且由于计算量大导致的处理速度慢的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种声源定向装置，包括：电路板；FPGA芯片，安装在电路板上；差分麦克风阵列，安装在电路板上，并与FPGA芯片耦接，其中，差分麦克风阵列包括四个等间距分布的全向性麦克风，且四个差分麦克风阵列围成一圆周。

为了解决上述问题，本发明还提供一种基于声源定向装置的声源定向方法，声源定向方法包括：

基于四个全向性麦克风获取声源的四个声音信号；

对四个声音信号进行预处理，得到四个目标声音信号；

根据四个目标声音信号，确定四个全向性麦克风的中心点声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号，其中，四个全向性麦克风的中心点与差分麦克风阵列围成的圆周的圆心重合；

根据中心点声压信号、中心点横轴振速信号、中心点纵轴振速信号，得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强；

根据中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强，确定声源的方位角。

其中，四个声音信号包括均声压信号和振速信号，根据四个目标声音信号，得到四个全向性麦克风的中心点声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号，包括；

根据四个目标声音信号中的四个声压信号，通过预设的声压信号标准化公式和中心点声压信号公式计算，得到中心点声压信号；

根据四个目标声音信号中的四个振速信号，通过预设的声波运动方程、中心点横轴振速信号公式和中心点纵轴振速信号公式计算，得到中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号。

其中，根据中心点声压信号、中心点横轴振速信号、中心点纵轴振速信号，得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强，包括：

对中心点的声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号进行傅里叶变换，得到中心点傅里叶变换后的声压信号、中心点傅里叶变换后的横轴振速信号和中心点傅里叶变换后的纵轴振速信号；

根据中心点傅里叶变换后的声压信号、中心点傅里叶变换后的横轴振速信号和中心点傅里叶变换后的纵轴振速信号，得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强。

其中，对四个声音信号进行预处理，得到四个目标声音信号，包括：

提取四个声音信号中预设频率范围的部分，得到四个目标声音信号。

其中，基于四个全向性麦克风获取声源的四个声音信号之前，还包括：

建立直角坐标系，以差分麦克风阵列围成的圆周的圆心为直角坐标系的原点，任一全向性麦克风所在的方向为横轴方向，其中，该全向性麦克风与直角坐标系的原点的距离为预设直径的一半。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种声源定位系统，包括：多个不在同一直线设置的上述声源定向装置，用于获取声源的多个方位角；控制装置，与多个声源定向装置耦接，用于根据多个方位角，确定声源的位置。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种基于声源定位系统的声源定位方法，声源定位方法包括：

对多个不在同一直线设置的声源定向装置，分别采取声源定向装置的声源定向方法，得到声源的多个方位角；

分别获取多个声源定向装置相互之间的距离；

根据声源的多个方位角、多个声源定向装置相互之间的距离，确定声源的位置。

其中，声源的多个方位角包括第一方位角、第二方位角和第三方位角，多个声源定向装置包括第一声源定向装置、第二声源定向装置和第三声源定向装置；得到声源的多个方位角之后，还包括：

建立极坐标系，以第一声源定向装置的中心点为极坐标系的原点，以第二声源定向装置的中心点所在的方向为横轴方向；

分别获取第一方位角、第二方位角以及第三方位角在极坐标系中的第一极方位角、第二极方位角以及第三极方位角。

其中，根据声源的多个方位角、多个声源定向装置相互之间的距离，确定声源的位置，包括：

获取第一极方位角和第二极方位角，及第一声源定向装置和第二声源定向装置的距离，其中，第一声源定向装置与第一极方位角对应，第二声源定向装置与第二极方位角对应；

根据第一极方位角、第二极方位角和第一声源定向装置与第二声源定向装置的距离，得到声源与第一声源定向装置的第一距离；

判断第一距离是否存在，若存在，确定声源的位置；若不存在，舍弃第二极方位角及其对应的第二声源定向装置，并获取第三极方位角，及第三声源定向装置与第一声源定向装置的距离；

根据第一极方位角、第三极方位角和第一声源定向装置与第三声源定向装置的距离，得到声源与第一声源定向装置的第二距离，确定声源的位置。

采用上述实施例的有益效果是：

本发明提供的声源定向装置、定向方法中，通过在原有的电路板中加入FPGA芯片以替代原先复杂的控制模块结构，有效提高了声源定向装置的集成度；另外，在电路板上设置四个等间距分布的全向性麦克风，通过优化差分麦克风阵列的分布位置，简化了声源定向装置获取方位角的计算，提高了处理速度。

进一步的，本发明提供的声源定位系统、定位方法，包括多个不在同一直线设置的声源定向装置，通过多个声源定向装置获取到声源的多个方位角，然后根据多个方位角，计算得到声源的位置。特别地，为了避免当获取到的多个方位角与声源在同一直线上，从而出现无法获取声源位置的情况，因此，本发明提供的声源定位系统、定位方法中需要包括多个不在同一直线设置的声源定向装置。本发明利用声源定位系统、定位方法获取声源的位置，基于声源定向装置的集成度高的特点，使得声源定位系统也具备集成度高的优势，另外，声源定位系统通过声源定向装置获取方位角，从而得到声源定位，计算方式简单，可靠性高，因此，具备较高的处理速度。

附图说明

图1为本发明提供的定向装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的基于声源定向装置的声源定向方法一实施例的流程示意图；

图3为本发明提供的声源定位系统一实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的基于声源定位系统的声源定位方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种声源定向装置、定向方法、声源定位系统和定位方法，以下分别进行详细说明。

为了提高声源定向装置的集成度，本申请引入了FPGA芯片，对声音信号进行处理，有效地提高了声源定向装置的处理速度，降低了能耗。

如图1所示，图1为本发明提供的声源定向装置一实施例的结构示意图，声源定向装置包括：

电路板101；

FPGA芯片102，安装在电路板上；

差分麦克风列103，安装在电路板上，并与FPGA芯片耦接，其中，差分麦克风列包括四个等间距分布的全向性麦克风，且四个差分麦克风列围成一圆周。

本实施例中，四个全向性麦克风组成一个圆周，每个全向性麦克风都是等价的，可以根据需求任意调整声源定向装置的角度、位置，不影响声源方位角的测量；并且利用多个全向性麦克风测量，能够减少误差，提高准确性；最后，本实施例中利用FPGA芯片处理声源的声音信号，基于FPGA芯片集成度高、计算速度快、能耗低的特点，因此，本实施例中的声源定向装置具备系统集成度高、处理速度快、能耗低的优势。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于声源定向装置的声源定向方法。

如图2所示，图2为本发明提供的基于声源定向装置的声源定向方法一实施例的流程示意图，其中，基于声源定向装置的声源定向方法包括：

步骤S201：基于四个全向性麦克风获取声源的四个声音信号；

步骤S202：对四个声音信号进行预处理，得到四个目标声音信号；

步骤S203：根据四个目标声音信号，确定四个全向性麦克风的中心点声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号，其中，四个全向性麦克风的中心点与差分麦克风阵列围成的圆周的圆心重合；

步骤S204：根据中心点声压信号、中心点横轴振速信号、中心点纵轴振速信号，得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强；

步骤S205：根据中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强，确定声源的方位角。

在本发明实施例中，首先，通过电路板上的四个全向性麦克风同时收集声源的声音信号；其次，对四个声音信号进行预处理，得到四个目标声音信号；然后，根据四个目标声音信号，通过计算得到中心点声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号，其中，四个全向性麦克风的中心点与差分麦克风阵列围成的圆周的圆心重合；接下来，根据中心点声压信号、中心点横轴振速信号、中心点纵轴振速信号，得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强；最后，根据中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强，确定声源的方位角。

本实施例中，通过四个等间距分布的全向性麦克风收集声源的声音信号，然后利用FPGA芯片处理获取到的声源的声音信号，有效地提高了声源定向的处理速度。

为了在采集声源的声音信号的过程中，便于统一测量数据，在确定好声源定向装置的位置后，还需要建立直角坐标系。

作为优选的实施例，本申请中的直角坐标系，以差分麦克风阵列围成的圆周的圆心为直角坐标系的原点，某一全向性麦克风所在的方向为横轴方向，其中，该全向性麦克风与直角坐标系的原点的距离为预设直径的一半。

在其他实施例中，还可以按照其他方式建立坐标系，坐标系的原点和横轴方向还可以按照其他标准确定，还可以根据需要建立其他坐标系，如：极坐标系、空间坐标系等。

进一步地，为了避免因为环境或者测量误差等外部因素对测量结果产生影响。

作为优选的实施例，本申请中在获取到四个声音信号后，对其进行预处理，得到四个目标声音信号；其中，对四个声音信号进行预处理，包括：提取四个声音信号中预设频率范围的部分，得到四个目标声音信号；其中，预设频率范围包括[300Hz，3000Hz]。

进一步地，四个全向性麦克风获取到的声源的四个声音信号包括均声压信号和振速信号；为了根据测量得到的四个声压信号和四个振速信号，得到中心点声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号。

作为优选的实施例，根据本申请中基于声源定向装置的结构，本申请通过分析、实验等方法，得到了预设的声压信号标准化公式、中心点声压信号公式、声波运动方程、中心点横轴振速信号公式和中心点纵轴振速信号公式；实现了根据测量得到的声压信号和振速信号，通过计算，就能够得到中心点声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号。

作为优选的实施例，本申请步骤S203中的声压信号标准化公式为：

P

中心点声压信号公式为：

声波运动方程为：

中心点横轴振速信号公式为：

中心点纵轴振速信号公式为：

其中，s(t)为声源的信号，α为声源信号到麦克风的传播衰减，τ为声源信号到麦克风的时间延时，n

通过上述公式，在获取到四个等间距分布的全向性麦克风收集到的声源的声音信号后，一方面，提取四个全向性麦克风收集到的声源的声音信号中的声压信号，将四个声压信号进行标准化处理，使得四个声压信号能够用统一的公式表示；然后，再利用中心点声压信号公式，得到中心点的声压信号。另外一方面，提取四个全向性麦克风收集到的声源的声音信号中的振速信号，利用声波运动方程得到中心点的振速信号，然后，再利用中心点横轴振速信号公式和中心点纵轴振速信号公式，得到中心点的振速信号在横轴上的分量和中心点的振速信号在纵轴上的分量。

进一步地，在得到中心点的声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号后，还要获取中心点的横轴声强和纵轴声强，才能提高计算得到声源的方位角。

作为优选的实施例，本申请步骤S204中，据中心点声压信号、中心点横轴振速信号、中心点纵轴振速信号，得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强，包括：

将中心点的声压信号、中心点横轴振速信号和中心点纵轴振速信号，通过傅里叶变换，得到中心点傅里叶变换后的声压信号、中心点傅里叶变换后的横轴振速信号和中心点傅里叶变换后的纵轴振速信号。

然后，根据中心点傅里叶变换后的声压信号、中心点傅里叶变换后的横轴振速信号和中心点傅里叶变换后的纵轴振速信号，通过横轴声强关系式和纵轴声强关系式，计算得到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强。

其中，横轴声强关系式为：

纵轴声强关系式为：

其中，I代表声强，P代表傅里叶变换后的声压信号，V代表傅里叶变换后的振速信号，*代表共轭运算，Re代表取实部。

最后，在获取到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强后，便能得到声源的方位角。

作为优选的实施例，本申请步骤S205中，在获取到中心点的横轴声强和中心点的纵轴声强后，通过方位角公式，便能得到声源的方位角；其中，方位角公式为：

其中，θ是声源的方位角。

通过上述方式获取声源的方位角，不仅有效利用了声源定向装置的结构特点，在任意调整声源定向装置的角度、位置时，不需要调整中心点声音信号公式的参数；并且在获取到四个全向性麦克风收集到的声源的声音信号后，通过计算得到声源的方位角，有效利用了FPGA芯片的计算功能，提高了处理速度。也就是说，通过上述方法，实现了只需要四个全向性麦克风测量声源的声音信号，便能获取到声源的方位角。

进一步地，基于上述声源定向装置，为了获取声源的位置，本申请还提供了一种声源定位系统。

作为优选的实施例，如图3所示，图3为本发明提供的声源定位系统一实施例的结构示意图，声源定位系统包括三个不在同一直线设置的第一声源定向装置301、第二声源定向装置302、第三声源定向装置303和控制装置304。

本实施例中，第一声源定向装置301、第二声源定向装置302和第三声源定向装置303两两之间的位置固定，并且距离数据存储在控制装置304中。

在对声源进行定位的过程中，通过第一声源定向装置301、第二声源定向装置302和第三声源定向装置303分别获取声源的方位角，并传送至控制装置304，控制装置304根据上述三个方位角及其对应的声源定向装置的距离数据，通过多个声源定向装置之间的距离与其对应获取的方位角的关系，得到声源与某一声源定向装置的距离。

在其他实施例中，声源定位系统还可以包括其他数量的声源定向装置，声源定向装置还可以是可移动的，获取的还可以是声源基于其他声源定向装置的位置，还可以是获取声源基于其他参照物的位置。

基于声源定位系统的结构，为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种声源定位系统的声源定位方法。

如图4所示，图4为本发明提供的基于声源定位系统的声源定位方法一实施例的流程示意图，其中，声源定向装置的声源定位方法包括：

步骤S401：对多个不在同一直线设置的声源定向装置，分别采取声源定向装置的声源定向方法，得到声源的多个方位角；

步骤S402：分别获取多个声源定向装置相互之间的距离；

步骤S403：根据声源的多个方位角、多个声源定向装置相互之间的距离，确定声源的位置。

在本发明实施例中，首先，根据多个前文所述的声源定向装置，利用声源定向装置的声源定向方法，得到本实施例中声源的多个方位角；其中，多个声源定向装置不在同一直线上。在其他实施例中，还可以获取声源其他数量的方位角。

然后，获取多个声源定向装置两两之间的距离，并一一对应记录。

最后，根据声源的多个方位角、多个声源定向装置之间的距离，确定声源的位置。

也就是说，基于上述定位方法，在获取到多个声源定向装置之间的间距及其测量得到的声源的方位角时，通过计算，便能够得到声源的位置。

在实际测量的过程中，当多个声源定向装置的直角坐标系中的横轴方向不相同时，测量获取的多个方位角容易混淆，从而导致定位结果不准确。

作为优选的实施例，为了避免上述情况发生，本申请在得到声源的多个方位角之后，还包括：

建立极坐标系，以第一声源定向装置的中心点为极坐标系的原点，以第二声源定向装置的中心点所在的方向为横轴方向；

然后，分别获取第一方位角、第二方位角以及第三方位角在极坐标系中的第一极方位角、第二极方位角以及第三极方位角。

在获取到第一极方位角、第二极方位角以及第三极方位角之后，结合多个声源定向装置相互之间的距离，便可以提高计算，得到声源的位置。

在其他实施例中，还可以按照其他方式建立坐标系，坐标系的原点和横轴方向还可以按照其他标准确定，还可以根据需要建立其他坐标系，如：直角坐标系、空间坐标系等。

为了确定声源的位置，本申请提出一实施例，通过计算得到声源与第一声源定向装置的中心点的距离。

作为优选的实施例，本申请利用三个声源定向装置获取声源的方位角，其中，第一声源定向装置、第二声源定向装置与第三声源定向装置不在同一直线上；第一声源定向装置与第二声源定向装置的距离为L

根据第一极方位角θ

特别地，当声源、第一声源定向装置和第二声源定向装置在同一直线上时，上述定位公式失效。为了弥补这种情况造成的测试结果失真，本实施例中，在获取到第一距离后，还包括：

判断第一距离是否存在，若存在，确定声源的位置；若不存在，舍弃第一距离，并获取第三极方位角θ

根据第一极方位角θ

通过上述方式，便能确定声源与第一声源定向装置的中心点的距离。

在其他实施例中，还可以获取其他数量的声源定向装置，通过计算确定声源定位，还可以通过调整公式参数，定义第一声源定向装置的中心点位置为某一定点位置，从而最终获取声源与某一定点位置的距离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。