基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，该方法包括以下步骤：首先根据嵌入式平面麦克风阵列获取的实测数据进行波达时间差估计；之后利用波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风；然后基于选取的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正；最后根据校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，进而进行最小二乘方位角估计。本发明专利技术显著减小了嵌入式平面麦克风阵列最小二乘方位角估计偏差的统计均值与方差，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法
本专利技术属于嵌入式麦克风阵列声源测向领域，特别是一种基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法。
技术介绍
麦克风阵列声源测向方法很多，包括高分辨谱估计、波束形成、波达时间差(TDOA)等。其中，麦克风间TDOA测量结合最小二乘(LS)估计的两级声源测向方法因实现复杂度低、环境适应性好等优点在各种实时声探测任务中得到广泛应用。因受外形设计、空间尺寸、使用运输等多种条件限制，图3所示的便携式枪声探测系统所用的麦克风阵列通常采用嵌入式安装方式，可能导致由于外壳遮挡而造成目标与某个或某些麦克风之间处于非通视(NLOS)状态。考虑到经过远距离传播后的枪声膛口波信号能量主要集中在数百Hz的低频范围，非通视麦克风受壳体衍射传播效应影响，相关麦克风间的实际TDOA不再与麦克风间距和目标位置保持理想全通视条件下的理论对应关系，进而造成基于LS测向方法的膛口波方向估计结果出现明显偏差。有关非通视情况下的声源目标测向问题，许多文献主要关注声探测系统整体因障碍阻隔而无法直视声源目标时的解决方案，一般不涉及壳体遮挡对嵌入式阵列目标方向估计的影响及其处理方法。针对仅有部分非通视麦克风的情形，已有研究表明，采用球麦克风阵列声场模型能有效抑制衍射传播干扰、获得精确的声源目标方位估计。但基于模型的衍射传播效应抑制方法一般较为复杂，难以实时实现；同时受成本、结构、使用方式等制约，便携式枪声探测系统通常采用麦克风数很少的平面阵结构，很难严格满足均匀球形阵列甚至圆形阵列的模型要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对嵌入式平面麦克风阵列的声源测向误差，提供一种实时性高、易于实现、且测向较为精确的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，包括以下步骤：步骤1、通过嵌入式平面麦克风阵列获取实测数据，并对实测数据进行波达时间差估计；步骤2、利用步骤1中波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风；步骤3、基于步骤2中选择的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正；步骤4、根据步骤3中校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，进而进行最小二乘方位角估计，完成嵌入式平面麦克风阵列声源测向。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术中通过选择距离声源最近的麦克风、施加低秩以及几何约束，降低了测向误差的均值及标准差，提高了测向精度及稳健性；2)本专利技术中选择距离声源最近的麦克风，尽可能避免了壳体遮挡对测向性能的影响；3)本专利技术采用反对称TDOA矩阵的低秩约束条件，抑制了实测TDOA的测量随机误差；4)本专利技术采用阵列形状的几何约束条件，抑制了壳体遮挡引起的衍射传播误差；5)本专利技术中将TDOA的校正转化为带约束条件的凸优化问题，利用拉格朗日乘子法求解凸优化问题的解析解，使得该方法的计算量较小，可满足系统的实时性需要，也降低了成本；6)本专利技术中通过将TDOA校正转化为带约束条件的凸优化问题，仅通过改变各矩阵的维数和几何约束的表现形式，就可针对性的推广到麦克风数量或阵列形状不同的其它麦克风阵列系统。下面结合附图对本专利技术作进一步详细的描述。附图说明图1为本专利技术基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法流程图。图2为本专利技术实施例中实验布设示意图。图3为本专利技术实施例所用的嵌入式平面麦克风阵列示意图。图4为本专利技术实施例中参考麦克风选择的结构框图。图5为本专利技术方法和常规方法的方位角估计误差分布对比示意图。图6为本专利技术方法和常规方法的方位角估计误差分布直方图，其中(a)为常规方法的方位角估计误差分布直方图，(b)为本专利技术方法的方位角估计误差分布直方图。图7为本实施例中均值补偿后两种方法的绝对方位角估计误差累积概率分布示意图。具体实施方式结合图1，本专利技术基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，包括以下步骤：步骤1、通过嵌入式平面麦克风阵列获取实测数据，并对实测数据进行波达时间差估计。步骤2、利用步骤1中波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风。进一步地，步骤2具体为：步骤2-1、根据波达时间差估计值构建波达时间差估计矩阵，具体为：令远场目标信号传播至麦克风Mi的波达时间为ti，i＝1～n；定义嵌入式平面麦克风阵列的波达时间向量为x＝[t1,t2,t3,…,tn]T，远场目标信号传播至麦克风Mi和Mj之间的波达时间差τij＝ti-tj，结合维度为n的全1向量1＝[1,1,1,…,1]T可得相应的反对称波达时间差矩阵M：M＝x·1T-1·xT结合上述波达时间差矩阵M及实际测量的波达时间向量x获得实测波达时间差矩阵步骤2-2、记录步骤2-1构建的实测波达时间差矩阵中每列中最小值所在的行序号；步骤2-3、以记录最多的行序号即众数作为距离目标最近的通视麦克风的序号，并选取该麦克风作为参考麦克风。进一步地，n的取值为4。步骤3、基于步骤2中选择的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正。进一步地，步骤3具体为：步骤3-1、将嵌入式平面麦克风阵列中的参考麦克风记为M1，其余麦克风以逆时针为序依次命名，重新构建实测波达时间差矩阵步骤3-2、对实测波达时间差矩阵进行凸优化校正，获得校正后的理想全通视波达时间差矩阵估计的解析解；具体为：施加波达时间差矩阵代数特征的低秩约束，以及对应阵列形状特征的几何约束，将对麦克风全通视情况下的理想波达时间差矩阵M的估计任务转化为有约束凸优化问题：式中，||·||F为F-范数，约束矩阵D＝[1,g]，包括低秩约束1Tx＝0和几何约束gTx＝0，前者与理想全通视TDOA矩阵M应为秩2的低秩要求相关，用于抑制高斯随机测量噪声，后者则体现了平行四边形阵列所对应的形状特征几何约束，其中g称为约束向量；对上式应用拉格朗日乘数法构造函数：式中，待定系数λ1、λ2为拉格朗日乘子；考虑：分别对x、λ1、λ2的一阶导数为0，可得结合的反对称性质：以及可得由上获得校正后麦克风全通视情况下的理想波达时间差矩阵M估计的解析解步骤4、根据步骤3中校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，从而完成最小二乘方位角估计。进一步地，步骤4具体为：步骤4-1、构建目标方向对应的麦克风间波达时间差向量b为：式中，A为与嵌入式平面麦克风阵列尺寸及形状有关的阵列系数矩阵，为远场目标方向矢量，θ、分别为远场目标方位角和俯仰角，τi1为第i个麦克风的坐标向量与第1个麦克风的坐标向量的差值，mi为第i个麦克风的坐标向量，c为声速；步骤4-2、求取上式向量b的线性最小二乘解为：式中，为阵列系数矩阵A的摩尔-彭若斯广义逆矩阵，分别为的估计值；步骤4-3、进行最小二乘方位角估计为：根据和各自的正负号，最终在0°～360°范围内唯一确定目标方位角θ的估计结果。下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述。实施例结合图1，本实施例基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，包括以下内容：步骤1、本实施例的实验在较空旷的室外环境进行，实验布设示意图如图2所示。实施例中采用的嵌入式平面麦克风阵列示意图如图3所示，其包括4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过嵌入式平面麦克风阵列获取实测数据，并对实测数据进行波达时间差估计；步骤2、利用步骤1中波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风；步骤3、基于步骤2中选择的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正；步骤4、根据步骤3中校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，进而进行最小二乘方位角估计，完成嵌入式平面麦克风阵列声源测向。

【技术特征摘要】
1.基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过嵌入式平面麦克风阵列获取实测数据，并对实测数据进行波达时间差估计；步骤2、利用步骤1中波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风；步骤3、基于步骤2中选择的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正；步骤4、根据步骤3中校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，进而进行最小二乘方位角估计，完成嵌入式平面麦克风阵列声源测向。2.根据权利要求1所述的基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，其特征在于，步骤2中所述利用步骤1中波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考，具体如下：步骤2-1、根据波达时间差估计值构建波达时间差估计矩阵，具体为：令远场目标信号传播至麦克风Mi的波达时间为ti，i＝1～n；定义嵌入式平面麦克风阵列的波达时间向量为x＝[t1,t2,t3,…,tn]T，远场目标信号传播至麦克风Mi和Mj之间的波达时间差τij＝ti-tj，结合维度为n的全1向量1＝[1,1,1,…,1]T可得相应的反对称波达时间差矩阵M：M＝x·1T-1·xT结合上述波达时间差矩阵M及实际测量的波达时间向量x获得实测波达时间差矩阵步骤2-2、记录步骤2-1构建的实测波达时间差矩阵中每列中最小值所在的行序号；步骤2-3、以记录最多的行序号即众数作为距离目标最近的通视麦克风的序号，并选取该麦克风作为参考麦克风。3.根据权利要求2所述的基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，其特征在于，步骤2-1中n＝4...

【专利技术属性】
技术研发人员：许志勇，王旭，赵兆，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32