新自適應閾值的小波濾波在被動聲源定位中應用

闞 閱 查富生 王鵬飛 李滿天 宋寶玉

新自適應閾值的小波濾波在被動聲源定位中應用

闞 閱1查富生1王鵬飛1李滿天1宋寶玉2

（1.哈爾濱工業大學機器人研究所 黑龍江哈爾濱 150001 2.哈爾濱工業大學機械設計系 黑龍江哈爾濱 150001）

在被動聲源定位研究領域，廣義互相關法是應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法克服了傳統廣義互相關法需要信號和噪聲先驗知識的局限性；很好的提高了相關噪聲條件下的非平穩信號的定位精度。

被動聲源定位；廣義互相關法；小波濾波；自適應閾值

1 引言

基于廣義互相關時延估計法的被動聲源定位原理在被動聲源定位技術中，傳聲器陣列用于接收目標聲源信號代表傳聲器且空間坐標已知為（xi，yi，zi），S代表聲源且空間坐標（x，y，z）未知為所求，ri為聲源到達第i號傳聲器的傳播距離。

同時根據距離=時間×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間差值。從方程（1）和（2）可知，只要估計出時間差值就可求出聲源坐標位置參數（x，y，z）。這里s（t）為傳聲器接收的聲源信號，wj（t）（j=1，2）為獨立高斯白噪聲且與聲源信號互不相關，τ1為聲源到達參考傳聲器M1與傳播到傳聲器M2的時間差值。這里G12（f）為互功率譜函數，Ψ12（f）為加權函數，我們采用相位PHAT函數，因其具有更好的抵抗噪聲和混響的能力。根據互相關函數性質，可知當τ-τ1=0即τ=τ1時，R12（τ）取最大值，所以對R12（τ）進行峰值檢測即可得到兩信號之間的時間差值。

2 基于新自適應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現最簡單、計算量最小，小波降噪方法中應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法相結合估計時延差值。

其中，小波閾值去噪法主要是基于在小波高頻子空間中，實際信號的小波系較大，而噪聲的小波系數較小。

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者Inrid Daubechies構造的Daubechies小波，這種小波的濾波器系數個數少，在分解與重構算法中所需的計算量少，這在信號的實時處理中非常重要；

（2）對各層子波信號進行閾值濾波處理：在運用同一種小波對帶噪信號進行小波去噪處理的時候，閾值的選取對能否得到比較好的去噪效果起到了關鍵作用。

仿真條件如圖1～3：聲源信號為安靜的環境下錄制的一段一秒的語音信號“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閾值的小波閾值濾波去噪仿真結果

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閾值的小波閾值濾波去噪仿真結果

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閾值的小波閾值濾波去噪仿真結果

3 定位實驗及結果分析

本文搭建了基于五元平面十字傳聲器陣列的定位實驗平臺（如圖4所示）。

圖4 基于五元平面十字傳聲器陣列的定位實驗平臺

最后，在信噪比為30dB情況下，我們對基于廣義互相關方法進行定位的實驗結果進行小波閾值濾波修正（見表1～3）。

表1 聲源真實位置參數

表2 基于廣義互相關方法定位實驗結果

表3 基于小波閾值濾波修正后的廣義互相關方法定位實驗結果

4 結論

廣義互相關時延估計法存在要求處理的信號是平穩信號、要求信號和噪聲是互相獨立不相關的、要求信號和噪聲的先驗知識。最后通過定位實驗說明基于小波濾波的廣義互相關時延估計方法的聲源位置參數估計精度得到明顯提高。

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O421+.2

A

1004-7344（2016）31-0230-02

2016-10-22

闞閱（1979-），女，吉林長春人，博士研究生，研究方向為被動聲源定位系統、信號處理。

查富生（1975-），男，安徽蕪湖人，碩士研究生導師，研究方向為神經計算。

王鵬飛（1977-），男，黑龍江五大連池人，博導，副教授，研究方向為仿生機器人。