This is a study of a real-time single sound source direction estimation system for moving platforms. A modified explicit adaptive algorithm for estimating the time delay between the signals captured at the microphone sensor array using wavelet transform is proposed. An active microphone sensor positioning method is also proposed for increasing the estimation performance and reducing computational loads.
An explicitly adaptive time delay estimation (EATDE) method is suitable for fast tracking of a time-varying delay, but the conventional EATDEs may fail to converge to a real delay parameter if the distance between sensors are too wide or the acoustic signal bandwidth is too broad. A modified EATDE using Haar wavelet transform is proposed in order to avoid this convergence failure. The theoretical analysis and numerical simulations show that the proposed algorithm converges globally to an unbiased delay estimate. A fast convergence speed and small estimation variance can be achieved using wavelet scale adaptation. This method can also be applied to remove the bias error when there exists secondary sound sources.
Active microphone positioning method is to change the relative position between the sound source and microphone sensors so that a calculation of geometric position using the time delay information should not be necessary. The precision of position estimation can also be improved because the sensitivity of time delay with respect to the relative position is maximized and the dependence on speed of sound is diminished. A microphone placement in 3-dimensional space are also devised.
Finally, the experiment system with a steerable microphone array which consists of 4 microphones and 2 stepping motors are developed and the result of estimation performance tests in real environment are provided.
본 논문은 단일 소음원의 방향을 추정하기 위한 시스템 개발에 관한 연구이다. 본 시스템은 소음원으로부터 마이크로폰에 도달하는 소음의 시간차를 추정하는 시간추정 알고리즘과 추정된 시간차로부터 소음의 방향을 추적하는 기계적인 마이크로폰 어레이로 이루어져 있다.
본 연구는 시간에 따라 연속적으로 변화하는 지연시간을 효율적으로 추정하기 위한 단일 파라미터 적응 지연시간 추정 알고리즘(explicitly adaptive time delay estimation)을 기반으로 하였으며 신호간의 상호 상관함수를 웨이블릿 변환하는 방법을 통해 넓은 시간차 추정 영역에서도 수렴이 가능한 형태로 변형하였다. 제안된 알고리즘은 마이크로폰 간격이 크거나 고주파 신호에 대해 향상된 수렴성을 가지며 prefiletering 방법을 이용하여 웨이블릿 변환에 필요한 계산량을 감소하는 방법을 적용하여 빠른 계산시간을 요하는 실시간 음원방향 추정에 적합하다. 본 논문에서는 제안된 알고리즘의 수렴성 및 추정성능을 수학적으로 해석하였으며 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다.
지연 시간차를 이용한 소음방향추정은 마이크로폰 어레이의 방향에 민감한 특성을 지니고 있으나 본 연구에서는 측정된 시간차를 이용하여 실시간으로 마이크로폰 어레이의 방향을 능동제어하는 방법으로 추정성능을 향상시켰다. 어레이의 음원추종제어를 위한 비선형 제어기의 수렴성능을 해석 및 컴퓨터 시뮬레이션으로 보였으며 최종적으로 2개의 스텝핑 모터와 4개의 마이크로폰을 이용한 실험장치를 구성하여 실제 환경에서 제안된 시스템이 작동함을 실험을 통해 검증하였다.
