同心圆差分麦克风阵列及相关波束形成制造技术

一种差分麦克风阵列包括位于基本上为平面的平台上的多个麦克风，多个麦克风包括总数为M的麦克风和多个麦克风的至少两个子集沿着至少两个相对于一个中心基本上同心的椭圆布置，以及以通信方式耦合到多个麦克风的处理装置，以接收由多个麦克风响应于声源产生的多个电子信号，并执行最小范数波束形成器以基于多个电子信号计算声源的估计值，其中最小范数波束形成器具有N阶差分，并且其中M>N+1。

Concentric circle differential microphone array and related beamforming

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】同心圆差分麦克风阵列及相关波束形成
本公开涉及麦克风阵列，并且具体地涉及与鲁棒波束形成器相关的同心圆差分麦克风阵列(CCDMA)。
技术介绍
波束形成器(或空间滤波器)用于传感器阵列(例如，麦克风阵列)中的定向信号的传输或接收。传感器阵列可以是传感器大致上沿线性平台(例如直线)布置的线性阵列，或是传感器大致上沿圆形平台(例如圆形线)布置的圆形阵列。传感器阵列中的每个传感器都可以捕获始发自源的信号的一个版本。每个信号版本可以表示在特定时间相对于相应传感器以特定的入射角捕获的信号。该时间可以被记录为相对于一个参考点的时间延迟，例如，参考点可以为传感器阵列中的第一传感器。入射角和时间延迟可根据阵列传感器的几何形状确定。此外，捕获的信号版本还可以包括噪声分量。模数转换器(ADC)的阵列可以将捕获的信号转换为数字型式(也称为数字信号)。处理装置可以实现用于基于数字信号计算信号源的某些属性的波束形成器。
技术实现思路
传感器阵列中的每个传感器都可以以特定的入射角接收从源发射的信号，其具有相对于参考物(例如，参考传感器)的特定的时间延迟。传感器可以是合适类型的传感器，例如捕获声音信号的麦克风传感器等。麦克风传感器可包括传感元件(例如，膜)，该传感元件响应于到达传感元件的声波产生的声压，以及将由传感元件接收到的声压转换成电子电流的电子电路。麦克风传感器可以将电子信号(或模拟信号)输出到下游处理装置以进行进一步的处理。麦克风阵列中的每个麦克风传感器可以接收从距离麦克风阵列一定距离的声源发出的声音信号的相应版本。麦克风阵列可包括多个麦克风传感器以捕获声音信号(例如，语音信号)，并将声音信号转换为电子信号。电子信号可以由模数转换器(ADC)转换成数字信号，该数字信号可以由处理装置(例如，数字信号处理器(DSP))进一步处理。与单个麦克风相比，麦克风阵列接收的声音信号包括可以利用的冗余，以计算声源的估计值，从而达到降噪/语音增强、声源分离、去混响、空间录音以及源定位和跟踪等目标。经处理的数字信号可以被封装以通过通信信道传输或使用数模转换器(DAC)转换回模拟信号。麦克风阵列可以通信方式耦合到处理装置(例如，数字信号处理器(DSP)或中央处理单元(CPU))，其包括被编程为实现用于计算声源的估计值的波束形成器的逻辑电路。在麦克风阵列中的任何麦克风传感器接收的声音信号可包括相对于参考麦克风传感器(例如，麦克风阵列中的第一麦克风传感器)接收的声音信号的噪声分量和延迟分量。波束形成器是一种空间滤波器，其使用麦克风阵列接收的声音信号的多个版本来根据某些优化规则识别声源。从声源发出的声音信号可以是宽带信号，例如语音和音频信号，通常在20Hz到20KHz的频率范围内。由于与波束形成器相关联的波束宽度(即，频域中主瓣的宽度)与频率成反比，波束形成器的某些实施在处理低频噪声分量方面是无效的。为了抵消波束形成器的非均匀频率响应，使用差分麦克风阵列(DMA)来达到频率不变的波束图案和高方向性因子(DF)，其中DF描述了相对于方向角度的声音强度。DMA可包含响应于声压场的空间导数的麦克风传感器阵列。例如，可以将多个地理上布置的全向传感器的输出组合在一起，以测量麦克风传感器之间的声压场的差异。与增加的麦克风阵列相比，DMA允许小的传感器间距离，并且可以以紧凑的方式制造。DMA可测量由麦克风接收的声场的导数(以不同的阶导数)。例如，利用由一对相邻麦克风之间的差异形成的一阶DMA可以测量声压场的一阶导数，以及利用由一对相邻的一阶DMA之间的差异形成二阶DMA可以测量声压场的二阶导数，其中一阶DMA包括至少两个麦克风，二阶DMA包括至少三个麦克风。因此，N阶DMA可以测量声压场的N阶导数，其中N阶DMA包括至少N+1个麦克风。N阶称为DMA的差分阶。DMA的指向性因子可以随着DMA的阶而增加。DMA中的麦克风传感器可以布置在线性平台上或布置在弯曲平台上(称为线性DMA)。弯曲平台可以是椭圆形平台，特别是圆形平台(称为圆形DMA)。与线性DMA(LDMA)相比，圆形DMA(CDMA)可更容易地控制，并且对于来自不同方向的声音信号具有基本相同的性能。这在声音来自除直线(或端射方向)之外的方向等的情况下是有用的。CDMA可以包括基本上沿着圆形轨迹放置在平面上的全向麦克风。全向麦克风是一种可从相对于麦克风的所有侧面或方向拾取相同增益的声音的麦克风。但是，CDMA可以放大与捕获信号相关的白噪声。白噪声可能来自装置的噪音。最小范数滤波器已经被用于通过增加给定的DMA的阶的麦克风阵列中使用的麦克风的数量来改善白噪声增益(WNG)。尽管部署在麦克风阵列中的大量麦克风可以改善WNG，但是大量与最小范数滤波器相关联的麦克风可能导致更大的阵列孔径，从而在更低频带中产生更多的零点。来自不同频带的响应组合时相互抵消，从而形成了零点。零点可能会在与CDMA相关的最小范数波束形成器中产生不需要的死区。本公开的实施方式提供了一种可以实质上增强波束形成器的鲁棒性并减少感兴趣的频带中的方向性因子的零点(深谷值)的技术方案。与使用单环麦克风来形成麦克风阵列的CDMA相比，本公开的实施方式采用同心圆麦克风阵列(CCDMA)来捕获声音信号并提供与CCDMA相关联的鲁棒波束形成器，其可改善WNG并消除零点。CCDMA是一种包括多个共用一个公共中心参考点并具有不同半径的CDMA的麦克风阵列。附图说明本公开通过示例而非限制性的方式在附图的图中加以说明。图1示出了根据本公开的实施方式的同心圆差分麦克风阵列(CCDMA)系统。图2示出了根据本公开的实施方式的均匀同心圆阵列(UCCA)的详细布置。图3A示出了与圆形差分麦克风阵列(CDMA)相关联的波束图、方向性因子(DF)和白噪声增益(WGN)。图3B示出了与鲁棒圆形差分麦克风阵列(CDMA)相关联的波束图308、方向性因子(DF)和白噪声增益(WGN)。图3C示出了根据本公开的实施方式的与同心圆差分麦克风阵列(CCDMA)相关联的波束图、方向性因子(DF)和白噪声增益(WGN)。图4为本公开的一些实施方式中通过与同心圆差分麦克风阵列(CCDMA)相关联的波束形成器估计声源的方法400的流程图。图5为根据本公开的一些实施方式的计算机系统的示例性的框图。具体实施方式图1示出了根据本公开一种实施方式的同心圆差分麦克风阵列(CCDMA)系统100。如图1所示，系统100可包括CCDMA102、模数转换器(ADC)104和处理装置106。CCDMA102可包括布置在一个公共的全体平台上的多个同心CDMA。CDMA中的每一个都可包括基本上沿着圆线相对于一个公共中心点(O)放置的一个或多个麦克风。因此，CCDMA102可包括多个麦克风同心环。例如，如图1所示，CCDMA102可包括P(P＝3)个环，其中第p个(p＝1,2,3)环可具有半径rp并且包括Mp个全向麦克风。麦克风阵列102中的麦克风传感器可从特定距离接收源自声源的声信号。在一个实施例中，声学信号可包括来自声源的第一分量(s(t))和第二噪声分量(v(t))(例如，环境噪声)，其中t为时间。由于麦克风传感器之间的空间距离，每个麦克风传感器除了接收噪声分量外，还可以接收不同版本的声音信号(例如，声音信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种差分麦克风阵列，包括：位于基本上为平面的平台上的多个麦克风，多个麦克风包括：总数为M的麦克风；以及多个麦克风的至少两个子集沿着至少两个相对于一个中心基本上同心的椭圆布置；以及处理装置，以通信方式耦合到多个麦克风，以：接收由多个麦克风响应于声源产生的多个电子信号；和执行最小范数波束形成器以基于多个电子信号计算声源的估计值，其中，最小范数波束形成器具有N阶差分，并且其中M>N+1。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.09 US 15/347,4821.一种差分麦克风阵列，包括：位于基本上为平面的平台上的多个麦克风，多个麦克风包括：总数为M的麦克风；以及多个麦克风的至少两个子集沿着至少两个相对于一个中心基本上同心的椭圆布置；以及处理装置，以通信方式耦合到多个麦克风，以：接收由多个麦克风响应于声源产生的多个电子信号；和执行最小范数波束形成器以基于多个电子信号计算声源的估计值，其中，最小范数波束形成器具有N阶差分，并且其中M>N+1。2.根据权利要求1所述的差分麦克风阵列，其中，多个电子信号中的每一个均表示在多个麦克风中的相应的一个麦克风处接收的声源的对应版本。3.根据权利要求1或2所述的差分麦克风阵列，还包括：模数转换器，以通信方式耦合到多个麦克风和处理装置，以将多个电子信号转换成多个数字信号。4.根据权利要求1至3任一项中所述的差分麦克风阵列，其中，多个麦克风沿着相对于中心的P个同心圆布置，其中，P大于1。5.根据权利要求1至4任一项中所述的差分麦克风阵列，其中，相同数量的麦克风沿着多个圆中的每个圆以相等的角距离布置。6.根据权利要求1至5任一项中所述的差分麦克风阵列，其中，沿着同心圆的第一个圆的多个麦克风与沿着同心圆的第二圆的多个麦克风不相同。7.一种系统，包括：数据存储器；以及处理装置，以通信方式耦合到数据存储器，以：接收由多个麦克风响应于声源产生的多个电子信号，其中，多个麦克风位于基本上为平面的平台上，多个麦克风包括总数为M的麦克风并且多个麦克风的至少两个子集沿着至少两个相对于一个中心基本上同心的椭圆布置；以及执行最小范数波束形成器以基于多个电子信号计算声源的估计值，其中，最小范数波束形成器具有N阶差分，并且其中M>N+1。8.如权利要求7所述的系统，其中，多个电子信号中的每一个均表示在多个麦克风中的相应的一个麦克风处接收的声源的对应版本。9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，多个麦克风沿着相对于中心的P个同心圆布置，其中，P大于1。10.根据权利要求7至9任一项中所述的系统，其中，相同数量的麦克...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景东，黄公平，雅各布·贝内斯蒂，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61