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声源定位算法研究及实现

作　者: 贺家琳
导　师: 杨兆选
学　校: 天津大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 声源定位 空间谱估计 信号源数估计 MUSIC ESPRIT 盖氏圆
分类号: TN912.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 165次
引　用: 4次
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内容摘要


声源定位技术是高级音频信号处理技术之一。基于麦克风阵列的声源定位在语音会议、安防以及机器人听觉等领域得到了广泛应用,是智能信号处理系统的重要组成部分。论文从声源定位算法的数学模型出发,阐述了定位算法中通用的理论模型及其扩展模型。论文介绍了三类主流的定位算法,并着重介绍高分辨谱估计定位算法中利用噪声空间与阵列流型之间关系的MUSIC算法和利用信号空间与阵列流型关系的ESRPIT算法。论文对这两类算法做了深入研究,并通过实验数据比较二者性能优劣。而后,讨论了信号源数目估计中盖氏圆估计器的理论与实现,并进行了仿真实验。论文最后设计了声源定位系统的架构并对算法进行了优化和改进。对MUSIC算法和ESPRIT算法分别从理论和仿真两个方向做了比较。论文从理论上分析了二者的理论估计误差。利用Matlab仿真重点研究了两种算法对信噪比和阵元间距的敏感程度,以及信号源数对算法的影响。用于估计信号源数的盖氏圆算法中由于其估计器参数与快拍数相关,因而不易于实际应用。本文在多次试验的基础上,总结出该参数的经验值,对实际系统的搭建具有重要的指导意义。论文讨论了声源定位系统的系统框图和各模块之间的传递变量,并详细设计了各个模块。特征值分解是算法实现中较困难的环节之一。论文详细论述了Jacobi实矩阵特征值分解的方法,并将此方法推广至复Hermite阵。同时,对盖氏圆算法的酉变换过程进行了优化,降低了系统的运算量。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 声源定位综述  8-12
  1.1 声源定位研究的意义  8-9
  1.2 声源定位研究的相关领域  9-11
  1.3 论文的主要工作和结构安排  11-12
第二章 基于时延的声源定位算法  12-28
  2.1 DOA估计数学模型  12-17
    2.1.1 通用数学模型  12-15
    2.1.2 相干信号源数学模型  15-16
    2.1.3 宽带信号源数学模型  16-17
    2.1.4 误差模型  17
  2.2 基于定向波束的声源定位  17-24
    2.2.1 广义互相关算法  17-19
    2.2.2 ψ_g(f) 的选取对功率谱的影响  19-24
    2.2.3 聚焦算法小结  24
  2.3 基于TDOA的声源定位  24-27
    2.3.1 基于TDOA估计的定位算法  25-26
    2.3.2 相位展开  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章 高分辨空间谱估计定位算法  28-45
  3.1 空间谱估计算法发展及现状  28-29
  3.2 空间谱阵列模型二阶统计特性  29-31
    3.2.1 协方差矩阵及其分解  29-30
    3.2.2 特征子空间的性质  30-31
  3.3 MUSIC算法  31-34
    3.3.1 经典MUSIC算法  31-32
    3.3.2 MUSIC算法的推广形式  32-33
    3.3.3 MUSIC算法的理论性能  33-34
  3.4 ESPRIT算法  34-40
    3.4.1 算法基本原理  34-36
    3.4.2 LS-ESPRIT与TLS-ESPRIT  36-39
    3.4.3 ESPRIT算法理论性能  39-40
  3.5 声源定位算法仿真性能比较  40-44
    3.5.1 MUSIC算法  41-43
    3.5.2 ESPRIT算法  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第四章 声源个数估计算法  45-60
  4.1 信号源个数估计算法概述  45-49
    4.1.1 信息论方法  46-47
    4.1.2 平滑秩序列法  47-49
  4.2 盖氏圆算法  49-59
    4.2.1 盖氏圆定理  49-51
    4.2.2 特殊的酉变换  51-55
    4.2.3 盖氏圆方法  55-56
    4.2.4 D值的确定  56-59
  4.3 本章小结  59-60
第五章 声源定位系统设计  60-71
  5.1 声源定位系统设计  60-61
  5.2 麦克风阵列和声音采集模块  61-62
  5.3 FFT模块  62-63
  5.4 互相关计算模块  63
  5.5 声源个数估计模块  63-70
    5.5.1 特征值分解算法实现  64-69
    5.5.2 酉变换快速算法  69-70
  5.6 方向估计模块  70
  5.7 本章小结  70-71
第六章 总结与工作展望  71-73
  6.1 工作总结  71
  6.2 工作展望  71-73
参考文献  73-79
发表论文和科研情况说明  79-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 电声技术和语音信号处理 > 语音信号处理
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