1.一种基于MWCS的近场语音信号三维定位算法,其特征在于,该方法包括以下步骤:(1)构建近场语音信号模型,通过麦克风阵列获得近场语音信号,并转换到频域;
(2)根据近场语音信号模型对测量平面构建测量矩阵,并进行正交化处理;
(3)将语音信号的频率分为若干个子带,从每个子带中选择最优测量值;
(4)使用OMP算法对最优测量值进行稀疏重构;
(5)对语音信号频率的每一个子带执行步骤(4),对重构结果加权平均得到最终结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于MWCS的近场语音信号三维定位算法,其特征在于,步骤(1)中,构建近场语音信号模型的方法如下:(1.1)根据声源与麦克风阵列中心的距离,将信号传播模型分为近场模型与远场模型近场模型适用球面波模型,而远场模型适用平面波模型,判断信号处于近场的方式表示为:式(1)中,L为麦克风阵列中心到声源的距离,R为阵列孔径,λ为信号的波长;
(1.2)假设有D个近场声源传播到由M个麦克风组成的阵列上,声源的位置矢量为Sj,麦克风的位置矢量为Pi,第i个声源到第j个麦克风的距离为rij,则第i个麦克风接收到的语音信号表示为:
式(2)中,sj(t‑τij)为在t时刻的第i个麦克风接收到的第j个声源信号,ni(t)为在t时刻第i个麦克风的高斯白噪声,αij为第i个麦克风接收到第j个信号的相对幅度衰减因子,表示为:
其中,τij为第i个麦克风接收到第j个信号的相对时延因子,表示为:式(4)中,c为声波波速,将语音信号转换到频域,即对式(2)进行离散傅里叶变换得到:
3.根据权利要求2所述的一种基于MWCS的近场语音信号三维定位算法,其特征在于,步骤(2)中,构建测量矩阵的方法如下:压缩感知的目标是在已知测量值y和测量矩阵A的情况下,重构出声源信号x,若将测量平面均匀划分为u*v=W个格点,则第k个频率点的测量矩阵A表示为:由于声源仅会出现在测量平面的一个或几个格点处,声源信号x是稀疏的,声源位置所对应的测量平面格点的值为sj(ωk),其余格点的值为0,即:T
x(ωk)=(0,s1(ωk),0,…,0,sD(ωk),0,0) ;
在含有噪声的情况下,傅里叶变换后第k个频率点压缩感知建立的信号模型为:y(ωk)=A(ωk)x(ωk)+n(ωk) (7)。
4.根据权利要求3所述的一种基于MWCS的近场语音信号三维定位算法,其特征在于,步骤(3)中,选择最优测量值的方法如下:语音信号为宽带信号,设语音信号的频率范围为[ω1,ωH],根据子带的思想,将语音信号按频率划分为Ns个子带,即[ω1,ω2]、…、[ωp,ωp+1]、…、[ωNs,ωH],每个子带包含Nf个频率点,在每一个子带里,依照下式选择最优测量值:
y(ω′p)=arg max||y(ωk)||2,ωk=ωp,...,ωp+1 (8)式(8)中,ωp’为选取的最优频率。
5.根据权利要求4所述的一种基于MWCS的近场语音信号三维定位算法,其特征在于,步骤(4)中,使用OMP算法进行稀疏重构的方法如下:式(7)为欠定方程组,该方程有多个解,求解声源信号x的过程是寻找最稀疏解的过程,即求x的l0范数最小解,表示为如下的约束形式:
式(9)中,ε为与噪声有关的常数;
使用OMP算法求解式(9),若用A表示测量矩阵A(ωp’),x表示声源信号x(ωp’),y表示最优测量值y(ωp’),则使用OMP算法进行稀疏重构的迭代步骤如下:(4.1)初始化残差r0=y,索引集 循环次数t=1;
(4.2)找出残差rt和测量矩阵的列Ai内积的绝对值的最大值所对应的脚标λt,即λt=argmax|
(4.3)更新索引集Λt=Λt‑1∪{λt},记录找到的测量矩阵中的重建列集合Tt=[Tt‑1,Aλt];
H ‑1 H
(4.4)由最小二乘得到xt=(TtTt) Tty;
(4.5)更新残差rt=y‑Ttxt,t=t+1;
(4.6)判断rt是否满足||rt||2<ε,若满足,则迭代停止;若不满足,则继续执行步骤(4.2)。
6.根据权利要求5所述的一种基于MWCS的近场语音信号三维定位算法,其特征在于,步骤(5)中,加权平均的方法如下:若划分为Ns个子带,则加权平均的结果如下:式(10)中,wp’为第p个最优测量值的权重,通过x(ω)中非零元素的位置对声源的位置进行估计。