一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法技术

本发明专利技术公开了一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法，该方法包括：对均匀面阵列接收的时域信号进行短时傅立叶变换，得到频域信号；对均匀面阵列按照均匀有重叠阵元的方式得到若干个子阵；对每个子阵的频域信号使用延时求和波束形成器；依据延时求和波束形成器的输出结果，进行DOA估计，判断当前帧是否有目标信号，并进行DOA信息标记；使用MVDR波束形成算法对各个子阵的输出信号进行预增强，得到预增强结果；根据DOA信息标记结果及预增强结果，进行迭代处理，得到估计噪声协方差矩阵；依选取KP形成器的两个虚拟子阵，分别使用自适应波束形成，采用虚拟子阵相互迭代的方式计算得到权系数，进而得到最终的波束形成输出。出。出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法


[0001]本专利技术涉及信号处理
，尤其涉及一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束 形成定向拾音方法。

技术介绍

[0002]大型传声器阵列具有阵元多、孔径大等特点，这些特点在一定程度上有利于提升 波束形成器提取远场目标信号及抑制干扰的能力。然而对于数据驱动型自适应波束 形成器，传声器个数的增加会导致协方差矩阵维度增大，而准确估计噪声协方差矩阵 所需要的快拍数至少为维度(即传声器数目)的两倍。当快拍数较少时，协方差矩阵 会出现奇异，导致自适应波束形成算法的性能大幅下降。同时，更高维的协方差矩阵 求逆需要大量的计算资源，增加了系统的存储量和运算量。因此，如何降低运算复杂 度，同时利用较少的快拍数实现鲁棒的波束形成器，是亟待研究的问题。
[0003]根据波束形成器系数是否依赖数据本身，常用的大型传声器阵列波束形成器可 以分为固定波束形成器和自适应波束形成器。常用的固定波束形成器有延时求和波 束形成器(Delay and Sum Beamformer,DSB)、超指向波束形成器(SuperdirectiveBeamformer,SDB)、Dolph
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Chebyshev波束形成器等。自适应波束形成器包括最小方 差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器、线性约 束最小方差(Linearly Constrained minimum variance,LCMV)波束形成器、广义旁瓣消 除(Generalized Sidelobe Canceller,GSC)波束形成器、广义特征值分解(GeneralizedEigenvalue,GEV)波束形成器等。一般情况下，固定波束形成器运算量低、鲁棒性高， 但噪声与干扰的抑制能力有限；自适应波束形成器对干扰声源有较强的抑制能力，但 也存在运算量大、鲁棒性不佳等问题。特别是当声源到传声器的导向矢量估计出现偏 差、快拍数较少、或者估计的噪声协方差矩阵中混有一部分目标语音时，都有可能会 造成“自消”现象，导致目标信号被抑制出现失真。针对上述问题，本领域技术人员 提出了经典的对角加载方法。以及在传声器阵列中使用克罗内科积(Kronecker Product, KP)波束形成方法提高自适应波束形成器的鲁棒性，但该方法在计算过程中仍无法降 低协方差矩阵的维度。实际应用中，特别是在传声器数目较多的大型阵列系统中，当 快拍数相较于大型传声器阵列的阵元数较少时，上述波束形成器的鲁棒性依然较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于子阵划分的鲁棒自适应 波束形成定向拾音方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定 向拾音方法，所述方法包括：
[0006]对均匀面阵列接收的时域信号进行短时傅立叶变换，得到频域信号；
[0007]对均匀面阵列按照均匀有重叠阵元的方式进行子阵划分，得到若干个子阵；
[0008]对每个子阵的频域信号使用延时求和波束形成器，得到各个子阵的输出信号；
[0009]依据延时求和波束形成器的输出信号，进行DOA估计，判断当前帧是否有目标 信号，并进行DOA信息标记；
[0010]使用MVDR波束形成算法对各个子阵的输出信号进行预增强，得到预增强结果；
[0011]根据DOA信息标记结果及预增强结果，进行迭代处理，得到估计噪声协方差矩 阵；
[0012]依据均匀面阵列特点选取KP形成器的两个虚拟子阵，分别对两个虚拟子阵使用 自适应波束形成，采用虚拟子阵相互迭代的方式计算得到权系数，进而得到最终的波 束形成输出。
[0013]作为上述方法的一种改进，所述对均匀面阵列按照均匀有重叠阵元的方式进行 子阵划分，得到若干个子阵；具体包括：
[0014]对于均匀面阵列按照从左到右及由上至下的顺序进行编号，选取每一行的3个 阵元为一个子阵，相邻子阵之间有一个阵元重叠，得到I个子阵。
[0015]作为上述方法的一种改进，所述对每个子阵的频域信号使用延时求和波束形成 器得到各个子阵的输出信号；具体包括：
[0016]对于第i个子阵，i＝1,2,
…
I，该子阵的第s个阵元的三维坐标是p
i,s
，s＝1,2,3， 该子阵几何中心的三维坐标是p
iNew
，该子阵的第s个阵元到几何中心的延时为：
[0017][0018]其中，下角标d表示目标声源，T表示转置，表示目标声源从远场入射 的角度，和θ
d
分别表示俯角和水平角，c表示声速；分别取s＝1,2,3，得到分别表示俯角和水平角，c表示声速；分别取s＝1,2,3，得到
[0019]则该子阵的导向矢量为：
[0020][0021]其中，k表示第k个频谱分量，f
k
为第k个频谱分量对应的频率，j表示虚部，exp(
·
) 表示以自然常数e为底的指数函数；
[0022]根据第i个子阵延时求和波束形成器的权向量等于第i个子阵的导向矢量， 则第i个子阵延时求和波束形成器的输出信号Y
DSB,i
(k,l)为：
[0023][0024]其中，l表示第l帧频域信号；H表示共轭转置；为该子阵接收 信号，包括该子阵三个阵元的接收信号
[0025]从而得到I个子阵的输出信号集合Y
DSB
(k,l)为：
[0026]Y
DSB
(k,l)＝[Y
DSB,1
(k,l),Y
DSB,2
(k,l),
…
,Y
DSB,I
(k,l)]T
[0027]作为上述方法的一种改进，所述依据延时求和波束形成器的输出信号，进行DOA 估计，判断当前帧是否有目标信号，并进行DOA信息标记；具体包括：
[0028]由第m个子阵延时求和波束形成器的输出信号Y
DSB,m
(k,l)和第n个子阵延时求 和波束形成器的输出信号Y
DSB,n
(k,l)，计算互相关函数C
nm
(k,l)：
[0029][0030]其中，表示第i个子阵和第i+1子阵的接收信号之间的延时，Ω
o
表示当前空 间扫描方向，
*
表示共轭运算；
[0031]将所有子阵的接收信号两两组合相加得到可控波束形成器的输出功率P(k,l)：
[0032][0033]其中，m＝1,2,
…
I，n＝1,2,
…
I；G
mn
(k,l)表示加权系数，采用PHAT加权去除各 频点的幅度影响仅保留相位信息，满足下式：
[0034][0035]设空间中需要扫描的方向集合Θ＝{Ω
o,1
,Ω本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法，所述方法包括：对均匀面阵列接收的时域信号进行短时傅立叶变换，得到频域信号；对均匀面阵列按照均匀有重叠阵元的方式进行子阵划分，得到若干个子阵；对每个子阵的频域信号使用延时求和波束形成器，得到各个子阵的输出信号；依据延时求和波束形成器的输出信号，进行DOA估计，判断当前帧是否有目标信号，并进行DOA信息标记；使用MVDR波束形成算法对各个子阵的输出信号进行预增强，得到预增强结果；根据DOA信息标记结果及预增强结果，进行迭代处理，得到估计噪声协方差矩阵；依据均匀面阵列特点选取KP形成器的两个虚拟子阵，分别对两个虚拟子阵使用自适应波束形成，采用虚拟子阵相互迭代的方式计算得到权系数，进而得到最终的波束形成输出。2.根据权利要求1所述的基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法，其特征在于，所述对均匀面阵列按照均匀有重叠阵元的方式进行子阵划分，得到若干个子阵；具体包括：对于均匀面阵列按照从左到右及由上至下的顺序进行编号，选取每一行的3个阵元为一个子阵，相邻子阵之间有一个阵元重叠，得到I个子阵。3.根据权利要求2所述的基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法，其特征在于，所述对每个子阵的频域信号使用延时求和波束形成器得到各个子阵的输出信号；具体包括：对于第i个子阵，i＝1,2,
…
I，该子阵的第s个阵元的三维坐标是p
i,s
，s＝1,2,3，该子阵几何中心的三维坐标是p
i，New
，该子阵的第s个阵元到几何中心的延时为：其中，下角标d表示目标声源，T表示转置，表示目标声源从远场入射的角度，和θ
d
分别表示俯角和水平角，c表示声速；分别取s＝1,2,3，得到得到则该子阵的导向矢量为：其中，k表示第k个频谱分量，f
k
为第k个频谱分量对应的频率，j表示虚部，exp(
·
)表示以自然常数e为底的指数函数；根据第i个子阵延时求和波束形成器的权向量等于第i个子阵的导向矢量，则第i个子阵延时求和波束形成器的输出信号Y
DSB,i
(k,l)为：其中，l表示第l帧频域信号；H表示共轭转置；为该子阵接收信号，包括该子阵三个阵元的接收信号从而得到I个子阵的输出信号集合Y
DSB
(k,l)为：Y
DSB
(k,l)＝[Y
DSB,1
(k,l),Y
DSB,2
(k,l),
…
,Y
DSB,I
(k,l)]
T
。4.根据权利要求3所述的基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法，其特征
在于，所述依据延时求和波束形成器的输出信号，进行DOA估计，判断当前帧是否有目标信号，并进行DOA信息标记；具体包括：由第m个子阵延时求和波束形成器的输出信号Y
DSB,m
(k,l)和第n个子阵延时求和波束形成器的输出信号Y
DSB,n
(k,l)，计算互相关函数C
nm
(k,l)：其中，表示第i个子阵和第i+1子阵的接收信号之间的延时，Ω
o
表示当前空间扫描方向，
*
表示共轭运算；将所有子阵的接收信号两两组合相加得到可控波束形成器的输出功率P(k,l)：其中，m＝1,2,...

【专利技术属性】
技术研发人员：厉剑，万成，孟维鑫，郑成诗，李晓东，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：