基于TDOA 算法的分布式陣列麥克風(fēng)定位研究

艾炎

語(yǔ)音是人類進(jìn)行交流溝通最主要的方式之一，他能方便快捷的承載這巨大的信息。隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，進(jìn)入了高度信息化，語(yǔ)音也室作為重要的信息載體之一，語(yǔ)音數(shù)據(jù)處理的整個(gè)過程可以分為兩個(gè)部分：A/D轉(zhuǎn)換，即把原始聲音的模擬輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息;D/A轉(zhuǎn)換，即把數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)據(jù)。他的傳送、存儲(chǔ)、識(shí)別、合成和增強(qiáng)室現(xiàn)代信息數(shù)字化中非常重要、基礎(chǔ)的組成部分之一。而現(xiàn)在人工智能技術(shù)的發(fā)展，尤其是自然語(yǔ)言處理技術(shù)的高速發(fā)展，語(yǔ)音處理已經(jīng)成為現(xiàn)在智能家居、交通、辦公、通信等新興領(lǐng)域中的核心技術(shù)之一。尤其像現(xiàn)在線上教育、云會(huì)議等方式的流行，語(yǔ)音信號(hào)處理是一個(gè)非常具有價(jià)值及必要的研究技術(shù)。

麥克風(fēng)陣列（Microphone Array），從字面上，指的是麥克風(fēng)的排列。也就是說由一定數(shù)目的聲學(xué)傳感器（一般是麥克風(fēng)）組成，用來對(duì)聲場(chǎng)的空間特性進(jìn)行采樣并處理的系統(tǒng)。麥克風(fēng)按照指定要求排列后，加上相應(yīng)的算法（排列+算法）就可以解決很多房間聲學(xué)問題，比如聲源定位、去混響、語(yǔ)音增強(qiáng)、盲源分離等。語(yǔ)音增強(qiáng)是指當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)被各種各樣的噪聲（包括語(yǔ)音）干擾甚至淹沒后，從含噪聲的語(yǔ)音信號(hào)中提取出純凈語(yǔ)音的過程。聲源定位技術(shù)是指使用麥克風(fēng)陣列來計(jì)算目標(biāo)說話人的角度和距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)說話人的跟蹤以及后續(xù)的語(yǔ)音定向拾取，是人機(jī)交互、音視頻會(huì)議等領(lǐng)域非常重要的前處理技術(shù)。去混響技術(shù)能很好的對(duì)房間的混響情況進(jìn)行自適應(yīng)的估計(jì)，從而很好的進(jìn)行純凈信號(hào)的還原，顯著的提升了語(yǔ)音聽感和識(shí)別效果。聲源信號(hào)的提取就是從多個(gè)聲音信號(hào)中提取出目標(biāo)信號(hào)，聲源信號(hào)分離技術(shù)則是將需要將多個(gè)混合聲音全部提取出來。

近場(chǎng)模型和遠(yuǎn)場(chǎng)模型

根據(jù)聲源和麥克風(fēng)陣列距離的遠(yuǎn)近，可將聲場(chǎng)模型分為兩種：近場(chǎng)模型和遠(yuǎn)場(chǎng)模型。近場(chǎng)模型將聲波看成球面波，它考慮麥克風(fēng)陣元接收信號(hào)間的幅度差;遠(yuǎn)場(chǎng)模型則將聲波看成平面波，它忽略各陣元接收信號(hào)間的幅度差，近似認(rèn)為各接收信號(hào)之間是簡(jiǎn)單的時(shí)延關(guān)系。顯然遠(yuǎn)場(chǎng)模型是對(duì)實(shí)際模型的簡(jiǎn)化，極大地簡(jiǎn)化了處理難度。一般語(yǔ)音增強(qiáng)方法就是基于遠(yuǎn)場(chǎng)模型。

近場(chǎng)模型和遠(yuǎn)場(chǎng)模型的劃分沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為聲源離麥克風(fēng)陣列中心參考點(diǎn)的距離遠(yuǎn)大于信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)為遠(yuǎn)場(chǎng);反之，則為近場(chǎng)。設(shè)均勻線性陣列相鄰陣元之間的距離（又稱陣列孔徑）為d，聲源最高頻率語(yǔ)音的波長(zhǎng)（即聲源的最小波長(zhǎng)）為λmin，如果聲源到陣列中心的距離大于2d2/λmin，為遠(yuǎn)場(chǎng)模型，否則為近場(chǎng)模型，示意圖如下圖1所示。

麥克風(fēng)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

麥克風(fēng)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為線性拓?fù)?、平面拓?fù)?，還有三維拓?fù)?，如下圖2麥克風(fēng)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中線性陣列的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易分析、算法復(fù)雜度相對(duì)較低，但是他的估計(jì)有效性估計(jì)是一維的，只能定位信號(hào)源的方向角度。平面陣列中常見的是均勻圓陣，如下圖3京東公司推出的叮咚mini的就是4顆麥克風(fēng)均勻按圓形排列。

圖3京東叮咚mini的麥克風(fēng)均勻圓陣

定位原理

TDOA定位是一種利用時(shí)間差進(jìn)行定位的方法。通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)監(jiān)測(cè)站的時(shí)間，可以確定信號(hào)源的距離。利用信號(hào)源到各個(gè)監(jiān)測(cè)站的距離（以監(jiān)測(cè)站為中心，距離為半徑作圓），就能確定信號(hào)的位置。但是絕對(duì)時(shí)間一般比較難測(cè)量，通過比較信號(hào)到達(dá)各個(gè)監(jiān)測(cè)站的絕對(duì)時(shí)間差，就能作出以監(jiān)測(cè)站為焦點(diǎn)，距離差為長(zhǎng)軸的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是信號(hào)的位置。

假設(shè)測(cè)得聲源到第n個(gè)麥克風(fēng)接收到聲源所發(fā)出的聲音信號(hào)的時(shí)刻分別為ti（i=1，2，3，4...n），且假設(shè)標(biāo)簽到第n個(gè)基站的距離為ri（i=1，2，3，4...n）如下圖4聲源到麥克風(fēng)的傳輸示意圖。

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在基站之間完全同步的情況下，得出定位標(biāo)簽相對(duì)于四組定位基站（假設(shè)1#、2#為第一組，2#、3#為第二組，3#、4#為第三組，4#、1#為第四組）的距離差di12～di14為：

假設(shè)空間布有N個(gè)基站，同時(shí)利用多個(gè)TDOA 測(cè)量值可以構(gòu)成關(guān)于標(biāo)簽位置的雙曲線方程組，求解此方程組即可得到標(biāo)簽坐標(biāo)。

TDOA估值進(jìn)行聲源定位，三顆麥克風(fēng)陣列可以確定空間聲源位置，增加麥克風(fēng)會(huì)增高數(shù)據(jù)精度。定位的方法有MLE最大似然估計(jì)，最小方差，球形差值和線性相交等，TDOA相對(duì)來講應(yīng)用廣泛，定位精度高，且計(jì)算量最小，實(shí)時(shí)性好，可用于實(shí)時(shí)跟蹤，在目前大部分的智能定位產(chǎn)品中均采用TDOA技術(shù)作為定位技術(shù)。

廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院省級(jí)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”科研項(xiàng)目《基于人工智能的自然語(yǔ)言交互設(shè)備研究》（2017KQNCX274）

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