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专利号: 2015105015525
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于空间稀疏性的分布式麦克风阵列声源定位方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、定位系统建立:分布式麦克风定位系统由M个已知自身位置的麦克风和K个待定位声源组成,采用分步格点划分方法将整个定位区域均匀划分为若干个格点;每个麦克风分别接收声源发出的信号,并传送给定位中心;

S2、语音信号特征提取:定位中心将任一麦克风接收到的语音信号首先经过加窗处理,把原来长度为P×1的语音信号向量r分解为J个长度为Q×1的短帧,即:其中,ri(i=1,…,P)表示输入信号向量r的每一个分量,Z是一个维数为J×Q的矩阵,每一行代表经过加窗处理后的1帧数据;

接下来对这J帧信号分别进行一次DCT变换:

式中D(·)表示DCT变换, (i=1,…,J)表示zi(i=1,…,J)经过DCT变换后的结果;对变化后的每一帧数据通过除以该帧的最大值实现归一化处理,然后对每一帧数据进行求平均计算:接下来考虑连续多帧信号的长时特性,为此对求平均后的向量s再进行一次DCT变换,得到向量 的长度仍为J×1,也即基于两步DCT变换的特征提取方法将计算复杂度从样本长度级降低到帧长数量级;

S3、建立稀疏定位模型:当定位中心接收到各麦克风采集的信号后,按S2分别进行特T征提取,构成新的测量向量 其中[·]表示转置计算,从而稀疏定位模型可表示为:y=Φx+v (5)其中,x为N×1的稀疏向量,Φ为一个M×N的矩阵,表示冗余字典,v为M×1的向量,表示噪声干扰;Φ中的任一项 1≤i≤M,1≤j≤N,表示第i个麦克风收到声源在第j个格点处发出声波信号按S2进行提取后获得的特征量;

一旦将定位区域内划分为N个格点,则声源在空间上的位置可精确地用一个N×1的稀疏索引向量x表示,声源位置所对应格点处索引值为1,而其他格点对应索引值为0,即Tx=[0,1,…,0,1,0…0] (6)如此一来,定位问题就转变为依据接收信号判断稀疏向量x中非零值所在位置的问题;

S4、模型失配修正:修正式为:

y=(Φ+Γ)x+v=Hx+v (7)其中v为M×1的向量,表示噪声干扰;H=(Φ+Γ)表示真实的冗余字典,其中Γ是预先未知的;

采用字典学习:

其中||·||F表示Frobenius范数,Y=[y1y2…yL]表示训练样本,X=[x1x2…xL]为稀疏矩阵,其分量xi(i=1,…,L)表示对应训练向量yi的稀疏向量;

采用正则化方式进行字典更新,计算公式如下:

T T -1

H=YX(XX+βI) (9)其中I表示单位矩阵,β为正则化系数;

S5、稀疏重构:在稀疏恢复阶段,字典H保持不变,通过重构算法计算稀疏向量;根据CS理论,准确描述稀疏约束的是l0范数,即min||xi||0s.t.yi=Hxi,i=1,…,L (10)由于l0范数的求解是NP难问题,因此常用l1范数来代替l0范数进行稀疏约束,即min||xi||1s.t.yi=Hxi,i=1,…,L (11)用如下组合函数来作为l0范数的近似函数,组合函数表达式如下:其中0<λ<1;显然,fσ(x)是连续函数,并且具有如下性质令 则当σ很小时有

Fσ(xi)≈||xi||0 (14)其中xi(j)表示xi的第j个分量;因此(10)式所示问题可以变为为了进一步逼近l0范数的约束效果,引入加权约束思想,通过加权,使重构信号中的大系数和小系数获得同等约束,此时(15)式改为其中W为N维对角加权矩阵,该矩阵仅对角线上元素不为零,其它元素绝为零,其对角线上元素取为wj=1/(|xi(j)|+η),η是一个小量,防止wj出现奇异值;

最小化式(16)的问题可以通过拉格朗日乘子法转化为无约束最优化问题进行求解,即其中γ为约束参数;

当参数σ较小时问题(17)的解容易收敛于局部最优解,为了使问题(17)能够尽量收敛于全局最优解,本发明取参数σ为下列一组下降序列σ=[σ1,…,σT] (18)其中σ1为较大正常数,σT为接近于零的正常数;迭代求解过程中将参数σ=σm-1(m=2,…,T)时得到的式(17)的最优解作为参数σ=σm时求解最优化问题(17)的初始解,从而使算法逐步收敛于参数为σ=σT时的全局最优解。

2.根据权利要求1所述的基于空间稀疏性的分布式麦克风阵列声源定位方法,其特征在于,S1中采用分步格点划分技术,具体步骤如下:用较大的间隔将定位空间均匀划分为N1个格点,并实现粗定位,得到定位目标对应的格点位置;然后将粗定位结果所对应格点空间用较小的间隔再次均匀划分为N2个格点,并在这N2个格点上再次实现稀疏重构,此结果作为最后的输出结果。

3.根据权利要求1所述的基于空间稀疏性的分布式麦克风阵列声源定位方法,其特征在于,S2中所加的窗为汉明窗。