新自適應(yīng)閾值的小波濾波在被動(dòng)聲源定位中應(yīng)用

闞 閱 查富生 王鵬飛 李滿(mǎn)天 宋寶玉

新自適應(yīng)閾值的小波濾波在被動(dòng)聲源定位中應(yīng)用

闞 閱1查富生1王鵬飛1李滿(mǎn)天1宋寶玉2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所 黑龍江哈爾濱 150001 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)系 黑龍江哈爾濱 150001）

在被動(dòng)聲源定位研究領(lǐng)域，廣義互相關(guān)法是應(yīng)為最為廣泛的一種定位方法。而基于小波濾波的廣義互相關(guān)法克服了傳統(tǒng)廣義互相關(guān)法需要信號(hào)和噪聲先驗(yàn)知識(shí)的局限性；很好的提高了相關(guān)噪聲條件下的非平穩(wěn)信號(hào)的定位精度。

被動(dòng)聲源定位；廣義互相關(guān)法；小波濾波；自適應(yīng)閾值

1 引言

基于廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的被動(dòng)聲源定位原理在被動(dòng)聲源定位技術(shù)中，傳聲器陣列用于接收目標(biāo)聲源信號(hào)代表傳聲器且空間坐標(biāo)已知為（xi，yi，zi），S代表聲源且空間坐標(biāo)（x，y，z）未知為所求，ri為聲源到達(dá)第i號(hào)傳聲器的傳播距離。

同時(shí)根據(jù)距離=時(shí)間×速度，則以傳聲器M1為參考陣元存在以上方程：這里c為聲源在空氣中傳播速度（一般為已知取值為340m/s），τi為聲源傳播到參考傳聲器M1與傳播到其它傳聲器之間的時(shí)間差值。從方程（1）和（2）可知，只要估計(jì)出時(shí)間差值就可求出聲源坐標(biāo)位置參數(shù)（x，y，z）。這里s（t）為傳聲器接收的聲源信號(hào)，wj（t）（j=1，2）為獨(dú)立高斯白噪聲且與聲源信號(hào)互不相關(guān)，τ1為聲源到達(dá)參考傳聲器M1與傳播到傳聲器M2的時(shí)間差值。這里G12（f）為互功率譜函數(shù)，Ψ12（f）為加權(quán)函數(shù)，我們采用相位PHAT函數(shù)，因其具有更好的抵抗噪聲和混響的能力。根據(jù)互相關(guān)函數(shù)性質(zhì)，可知當(dāng)τ-τ1=0即τ=τ1時(shí)，R12（τ）取最大值，所以對(duì)R12（τ）進(jìn)行峰值檢測(cè)即可得到兩信號(hào)之間的時(shí)間差值。

2 基于新自適應(yīng)閾值的小波去噪方法

小波降噪方法中，由Donoho提出的小波閾值去噪法是實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單、計(jì)算量最小，小波降噪方法中應(yīng)用最廣泛的一種降噪方法。因此本文采用小波閾值去噪法與廣義互相關(guān)法相結(jié)合估計(jì)時(shí)延差值。

其中，小波閾值去噪法主要是基于在小波高頻子空間中，實(shí)際信號(hào)的小波系較大，而噪聲的小波系數(shù)較小。

小波閾值去噪原理：

（1）小波變換：首先確定小波基，本文采用由世界著名的小波分析學(xué)者Inrid Daubechies構(gòu)造的Daubechies小波，這種小波的濾波器系數(shù)個(gè)數(shù)少，在分解與重構(gòu)算法中所需的計(jì)算量少，這在信號(hào)的實(shí)時(shí)處理中非常重要；

（2）對(duì)各層子波信號(hào)進(jìn)行閾值濾波處理：在運(yùn)用同一種小波對(duì)帶噪信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理的時(shí)候，閾值的選取對(duì)能否得到比較好的去噪效果起到了關(guān)鍵作用。

仿真條件如圖1～3：聲源信號(hào)為安靜的環(huán)境下錄制的一段一秒的語(yǔ)音信號(hào)“一”。

圖1 信噪比為10dB情況下基于本文提出的閾值與提出的幾種自適應(yīng)閾值的小波閾值濾波去噪仿真結(jié)果

圖2 信噪比為20dB情況下基于本文提出的閾值與提出的幾種自適應(yīng)閾值的小波閾值濾波去噪仿真結(jié)果

圖3 信噪比為30dB情況下基于本文提出的閾值與提出的幾種自適應(yīng)閾值的小波閾值濾波去噪仿真結(jié)果

3 定位實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文搭建了基于五元平面十字傳聲器陣列的定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖4所示）。

圖4 基于五元平面十字傳聲器陣列的定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

最后，在信噪比為30dB情況下，我們對(duì)基于廣義互相關(guān)方法進(jìn)行定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行小波閾值濾波修正（見(jiàn)表1～3）。

表1 聲源真實(shí)位置參數(shù)

表2 基于廣義互相關(guān)方法定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 基于小波閾值濾波修正后的廣義互相關(guān)方法定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法存在要求處理的信號(hào)是平穩(wěn)信號(hào)、要求信號(hào)和噪聲是互相獨(dú)立不相關(guān)的、要求信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí)。最后通過(guò)定位實(shí)驗(yàn)說(shuō)明基于小波濾波的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法的聲源位置參數(shù)估計(jì)精度得到明顯提高。

[1]臧 敏，陶 鋼.被動(dòng)聲傳感陣列測(cè)距測(cè)向分析[J].中國(guó)測(cè)試，2009，35（5）：115～118.

[2]Compagnoni M，Bestagini P，Antonacci F，et al.Localization of acoustic sources through the fitting of propagation cones using multiple independent arrays[J].IEEE Transactions on Audio，Speech，and Language Processing，2012，20（7）：1964～1975.

[3]Knapp C H，Carter G C.The generalized correlation method for estimation of time delay [J].IEEE Transactions on Acoustics，Speech and Signal Processing，1976，24（4）：320～327.

O421+.2

A

1004-7344（2016）31-0230-02

2016-10-22

闞閱（1979-），女，吉林長(zhǎng)春人，博士研究生，研究方向?yàn)楸粍?dòng)聲源定位系統(tǒng)、信號(hào)處理。

查富生（1975-），男，安徽蕪湖人，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯窠?jīng)計(jì)算。

王鵬飛（1977-），男，黑龍江五大連池人，博導(dǎo)，副教授，研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人。