麦克风阵列波束成形的方法、装置和计算机设备制造方法及图纸

本申请揭示了麦克风阵列波束成形的方法，包括：麦克风阵列包括M个均匀分布在同一圆环上的麦克风，M＝2n，n＝2,3,4…,且麦克风阵列的孔径

【技术实现步骤摘要】
麦克风阵列波束成形的方法、装置和计算机设备
本申请涉及到计算机领域，特别是涉及到麦克风阵列波束成形的方法、装置和计算机设备。
技术介绍
基于麦克风阵列的波束成形方法，对音频降噪的效果比较明显，可以针对不同方向的干扰进行有效抑制，而对目标声源做增强。基于麦克风阵列的波束成形方法中，MVDR、SD、GSC等现有技术，在麦克风阵列尺寸偏小导致空间孔径较小的情况下，降噪效果会削弱，而且在麦克风阵列尺寸偏小的情况下，由于空间区域的限制，使得波束成形时只能在麦克风端射方向形成，无法使波束精确地指向其它任意方位角，不能满足流行趋势的指向性语音交互的使用需求。
技术实现思路
本申请的主要目的为提供麦克风阵列波束成形的方法，旨在解决麦克风阵列孔径偏小时，无法使输出波束精确地指向任意方位角的技术问题。本申请提出一种麦克风阵列波束成形的方法，所述麦克风阵列包括M个均匀分布在同一圆环上的麦克风，M＝2n，n＝2,3,4…,且麦克风阵列的孔径c为声速，f为信号最高频率，方法包括：接收音频输入信号，并根据声源定位确定目标方向，其中，所述目标方向为任意角度的方向；通过指定运算方式将所述音频输入信号，在所述目标方向上生成指定波束，其中，所述指定运算方式由矩阵C推导得到，所述矩阵C的表达式为：b为正实数，δ为非负数；在距离所述目标方向指定角度范围内，生成所述指定波束对应的修正波束；利用自适应滤波器将所述修正波束与所述指定波束对消，得到所述目标方向的波束输出；向所述目标方向输出所述波束输出。优选地，所述通过指定运算方式将所述音频输入信号，在所述目标方向上生成指定波束的步骤，包括：赋值矩阵C中的δ＝0；通过W1(k)＝a(k,ψ)C得到第一空域滤波系数，其中，所述W1(k)为所述第一空域滤波系数，a(k,ψ)为指向角度为ψ的导向矢量；通过Y1(k)＝X(k)W1H(k)在所述目标方向上生成所述指定波束，其中，X(k)是所述音频输入的频域信号，W1H(k)是所述第一空域滤波系数W1(k)的共轭转置。优选地，在距离所述目标方向指定角度范围内，生成所述指定波束对应的修正波束的步骤，包括：确定与所述目标方向相差180度的指定方向；以所述指定方向为中心，以远离所述指定方向产生的偏角范围为界限，确定所述指定角度范围；在所述指定角度范围内生成DMA波束，作为所述指定波束对应的修正波束。优选地，所述在所述指定角度范围内生成DMA波束，作为所述指定波束对应的修正波束的步骤，包括：获取所述麦克风阵列中所有麦克风之间的孔径；筛选麦克风之间的孔径符合的指定麦克风，其中，所述指定麦克风的数量M`为大于或等于二的正整数，c为声速，f为信号最高频率；通过所述指定麦克风生成所述DMA波束。优选地，所述指定麦克风为两个，所述通过所述指定麦克风生成所述DMA波束的步骤，包括：判断所述麦克风阵列中所有麦克风之间的孔径是否均满足若是，则选择端射方向上距离所述目标方向最近的两个麦克风，作为所述指定麦克风；获取两个所述指定麦克风端射方向的导向矢量，并组成导向矢量矩阵D(k)，其中，所述θ1，θ2是两个所述指定麦克风的端射方向，d(k,θ1)为指向θ1的导向矢量，d(k,θ2)为指向θ2的导向矢量；根据所述导向矢量矩阵D(k),依据计算公式W2(k)＝D(k)-1β，得到第二空域滤波系数，其中，W2(k)为所述第二空域滤波系数，·-1为矩阵取逆，若θ1相比θ2靠近所述目标方向，若θ2相比θ1靠近所述目标方向，通过生成所述DMA波束。优选地，所述利用自适应滤波器将所述修正波束与所述指定波束对消，得到所述目标方向的波束输出的步骤，包括：根据步长调节因子确定所述自适应滤波器的滤波器系数G(l,k)，其中，l为帧索引，k为频率索引，且k＝1,2,...,K，K为FFT变换的点数，Y2(l,k)为Y2(l,k)的历史缓存值，Y2(l,k)＝[Y2(l,k),Y2(l-1,k),...,Y2(l-ORD+1,k)]，ORD为缓存的帧数，μ是步长调节因子，·*表示求共轭；根据所述滤波器系数G(l,k)，通过E(l,k)＝Y1(l,k)-Y2(l,k)G(l,k)将所述指定波束与所述修正波束对消，得到所述目标方向对应的输出信号波束，其中，所述E(l,k)为所述目标方向对应的输出信号波束。本申请提供了一种麦克风阵列波束成形的装置，所述麦克风阵列包括M个均匀分布在同一圆环上的麦克风，M＝2n，n＝2,3,4…,且麦克风阵列的孔径c为声速，f为信号最高频率，装置包括：接收模块，用于接收音频输入信号，并根据声源定位确定目标方向，其中，所述目标方向为任意角度的方向；第一生成模块，用于通过指定运算方式将所述音频输入信号，在所述目标方向上生成指定波束，其中，所述指定运算方式由矩阵C推导得到，所述矩阵C的表达式为：b为正实数，δ为非负数；第二生成模块，用于在距离所述目标方向指定角度范围内，生成所述指定波束对应的修正波束；对消模块，用于利用自适应滤波器将所述修正波束与所述指定波束对消，得到所述目标方向的波束输出；输出模块，用于向所述目标方向输出所述波束输出。优选地，所述第一生成模块，包括：赋值子模块，用于赋值矩阵C中的δ＝0；得到子模块，用于通过W1(k)＝a(k,ψ)C得到第一空域滤波系数，其中，所述W1(k)为所述第一空域滤波系数，a(k,ψ)为指向角度为ψ的导向矢量；生成子模块，用于通过Y1(k)＝X(k)W1H(k)在所述目标方向上生成所述指定波束，其中，X(k)是所述音频输入的频域信号，W1H(k)是所述第一空域滤波系数W1(k)的共轭转置。本申请还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。本申请通过设计用于目标方向上生成指定波束的矩阵C，使得波束具有可指向任意方位角的任意指向性，且通过靠近目标方向反方向的角度上生成修正波束，对消掉指定波束在目标方向之外的旁瓣，得到目标方向的波束输出，实现了小孔径麦克风阵列可指向任意角度的波束形成。附图说明图1本申请一实施例的麦克风阵列波束成形的方法流程示意图；图2本申请一实施例的麦克风阵列的位置布局结构示意图；图3本申请一实施例的双极型波束与DMA波束对消示意图；图4本申请一实施例的麦克风阵列波束成形的装置结构示意图；图5本申请一实施例的计算机设备内部结构示意图。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种麦克风阵列波束成形的方法，其特征在于，所述麦克风阵列包括M个均匀分布在同一圆环上的麦克风，M＝2n，n＝2,3,4…,且麦克风阵列的孔径

【技术特征摘要】
1.一种麦克风阵列波束成形的方法，其特征在于，所述麦克风阵列包括M个均匀分布在同一圆环上的麦克风，M＝2n，n＝2,3,4…,且麦克风阵列的孔径c为声速，f为信号最高频率，方法包括：
接收音频输入信号，并根据声源定位确定目标方向，其中，所述目标方向为任意角度的方向；
通过指定运算方式将所述音频输入信号，在所述目标方向上生成指定波束，其中，所述指定运算方式由矩阵C推导得到，所述矩阵C的表达式为：

b为正实数，δ为非负数；
在距离所述目标方向指定角度范围内，生成所述指定波束对应的修正波束；
利用自适应滤波器将所述修正波束与所述指定波束对消，得到所述目标方向的波束输出；
向所述目标方向输出所述波束输出。


2.根据权利要求1所述的麦克风阵列波束成形的方法，其特征在于，所述通过指定运算方式将所述音频输入信号，在所述目标方向上生成指定波束的步骤，包括：
赋值矩阵C中的δ＝0；
通过W1(k)＝a(k,ψ)C得到第一空域滤波系数，其中，所述W1(k)为所述第一空域滤波系数，a(k,ψ)为指向角度为ψ的导向矢量；
通过Y1(k)＝X(k)W1H(k)在所述目标方向上生成所述指定波束，其中，X(k)是所述音频输入的频域信号，W1H(k)是所述第一空域滤波系数W1(k)的共轭转置。


3.根据权利要求1所述的麦克风阵列波束成形的方法，其特征在于，在距离所述目标方向指定角度范围内，生成所述指定波束对应的修正波束的步骤，包括：
确定与所述目标方向相差180度的指定方向；
以所述指定方向为中心，以远离所述指定方向产生的偏角范围为界限，确定所述指定角度范围；
在所述指定角度范围内生成DMA波束，作为所述指定波束对应的修正波束。


4.根据权利要求3所述的麦克风阵列波束成形的方法，其特征在于，所述在所述指定角度范围内生成DMA波束，作为所述指定波束对应的修正波束的步骤，包括：
获取所述麦克风阵列中所有麦克风之间的孔径；
筛选麦克风之间的孔径符合的指定麦克风，其中，所述指定麦克风的数量M`为大于或等于二的正整数，c为声速，f为信号最高频率；
通过所述指定麦克风生成所述DMA波束。


5.根据权利要求4所述的麦克风阵列波束成形的方法，其特征在于，所述指定麦克风为两个，所述通过所述指定麦克风生成所述DMA波束的步骤，包括：
判断所述麦克风阵列中所有麦克风之间的孔径是否均满足
若是，则选择端射方向上距离所述目标方向最近的两个麦克风，作为所述指定麦克风；
获取两个所述指定麦克风端射方向的导向矢量，并组成导向矢量矩阵D(k)，其中，所述θ1，θ2是两个所述指定麦克风的端射方向，d(k,θ1)为指向θ1的导向矢量，d(k,θ2)为指向θ2的导向矢量；
根据所述导向矢量矩阵D(k),依据计算公式W2(k)＝D(k)-1β，得到第二空...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊彬，王广新，杨汉丹，
申请(专利权)人：深圳市友杰智新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44