【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及声源定位，具体指一种基于taguchi方法的麦克风阵列优化方法。
技术介绍
1、麦克风阵列是由多个麦克风构成的具有一定几何结构的组合体，能够采集并处理声场以获得声场的时空信息,在时域、频域处理方法中结合了空域方法。波束成形技术利用麦克风阵列对声波信号进行采集和处理，可以提取出所接收声场的空间特征信息。与单个麦克风相比，波束成形技术具有波束灵活、增益高、抗干扰能力强和空间分辨率好等优势。
2、麦克风阵列拓扑结构可分为三类：一维线阵，其中主要包括均匀线阵和非均匀线阵；二维平面阵列，其中常见的有网格阵、圆形阵、螺旋阵和随机阵列；三维立体阵，其中有立方体阵和球阵等。麦克风阵列结构包含多种几何参数，例如麦克风数量、麦克风间距和麦克风类型等。研究表明，麦克风阵列拓扑结构的不同对阵列响应和波束模式有很大影响，这直接决定了阵列性能的大小，故对麦克风阵列拓扑结构研究是必不可少的。
3、milos提出了一种方法来优化麦克风阵列的几何布置，通过优化的阵列对低频带交通噪声进行分析。该文献中的阵列是无规则的随机阵列，优化阵列在抑制旁瓣方面有较大优势。实验中发现规则阵列在实际应用过程中有很多局限性，其中最大的局限性在于产生空间混叠问题。严重的混叠现象会导致栅瓣的产生，栅瓣和主瓣具有同样的水平，这使得我们对真实噪声源的位置信息产生混淆。只有提高麦克风阵列中的麦克风使用效率，减少麦克风的冗余，空间混叠现象才会得到有效避免。提高阵列中传感器使用效率的有效方法是：设计不规则阵列或者随机阵列。为了解决混叠问题，dougherty
4、但是在实际研究中发现，不规则阵列的设计随着麦克风数量的增加，误差会随之增加。并且由于受到外界环境的干扰，不规则的麦克风阵列不同的环境都会出现不同的误差，因此每个不同的环境都需要对不规则的麦克风阵列进行重新优化，需要依靠实验优化方法在给定频带内设计不规则阵列时。而在实验优化过程中，需要大量实验获取数据来纠正误差，才能获得实用的阵列设计，不规则阵列的实际应用难度，成本高，难以推广。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术的不足，提出一种基于taguchi方法的麦克风阵列优化方法，极其有效的减少实验次数同时还能保证找到较好优化结果的方法。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：
3、一种基于taguchi方法的麦克风阵列优化方法，包括如下步骤：
4、s1、构建所需的麦克风阵列；
5、s2、选取适当参数进行阵列参数正交实验；
6、s3、在matlab中进行仿真实验，对实验结果进行性能衡量；
7、s4、计算信噪比s/n值(品质衡量的统一量化标准，便于统一量纲)
8、s5、变异数分析(anova，analysis of variance)数据，得到控制因子对最终结果性能影响大小的趋势和各控制因子的水准对于最终结果性能影响的贡献度大小。
9、作为优选，所述步骤s1中，构建多螺旋臂渐开线式的麦克风阵列的方法为：
10、dougherty多螺旋臂阵列：
11、dougherty多螺旋臂阵列是基于一定数量的螺旋线构建，由初始螺旋线旋转多次而来。以对数螺旋线为例，各螺旋臂基于dougherty对数螺旋线构建。在确定各麦克风位置之前，需要首先依次确定参数：
12、螺旋线最小半径和最大半径r0，rmax；螺旋臂数目na；每条螺旋臂上麦克风数目nm；螺旋角v；在确定参数后，重复dougherty对数螺旋线构建过程，在构建初始螺旋臂后将其旋转多次即可得到多螺旋臂阵列结构。旋转过程可以写成：
13、rm,n＝r1,n,n＝1,…,nm,m＝1,..,na (1)
14、
15、underbrink多螺旋臂阵列：
16、在underbrink阵列设计中，麦克风基于等扇区面积原则布置。同样，在确定麦克风位置之前需要先依次确定下列参数：螺旋线最小半径和最大半径r0，rmax；螺旋臂数目na；每条螺旋臂上麦克风数目nm；螺旋角v；整个阵列的面积分割成nm-1个等面积圆弧区每个圆弧区再r次分成若干等面积扇形区，麦克风布置在每个扇形区中心位置。为了保证高频带工作环境下阵列的副瓣抑制能力，在阵列最内部增加一圈麦克风。麦克风半径可以表示成：
17、rm,1＝r0,m＝1,…,na (3)
18、
19、根据已知的麦克风半径可以依据对数螺旋线方程计算各麦克风的角度：
20、
21、所述步骤s2中，根据s1中构建阵列的条件令d阵列最大孔径(最外圈麦克风环的半径的两倍)；麦克风数目，螺旋臂数目na，最小麦克风环的半径r0(最小麦克风环即形成渐开线的基圆)为四个优化参数，因为这四个参数是设计多螺旋臂渐开线式的阵列的关键因素。
22、所述步骤s3中，本专利技术的优化基于于近场球面波模型的music波束成形算法。
23、确定性能指标：
24、brooks和humphreys提出波束宽度的估计公式：
25、
26、其中bw为阵列波束宽度，h是阵列与声源所在平面的距离，d是阵列孔径，f是频率，cbw是定义所有频率下阵列波束宽度的系数。对于分辨率性能的衡量，采用系数cbw可对不同阵列进行对比，cbw值越低，主瓣波束宽度越低，阵列分辨性能越好。对于动态性能的衡量，采用计算所选频带内各子带所有动态范围大小的均值和标准差σdr来估计阵列的整体动态范围性能。阵列好的整体动态性能包含了高水平值和低离散程度，对应于高均值和低标准差值。其中动态范围指主瓣峰值和最大旁瓣峰值的差值。
27、分别对于dougherty多螺旋臂阵列以及underbrink多螺旋臂阵列计算波束宽度系数、动态范围均值和动态范围标准差的数值。
28、波束宽度系数cbw值越低，波束宽度越低，分辨率越高；阵列的动态范围的均值越大、标准差值越小，阵列的动态性能越好。为了综合考虑三者，本文构建一个能够包含所有性能衡量指标的单调函数，该单调函数如下所示：
29、
30、最终m函数的结果越小，代表阵列综合性能越好。
31、对所述步骤s4中，我们利用s3中得出的各参数组合下得到结果的衡量指标值我们将其转化为信噪比s/n值，其中信噪比起源于通信领域，taguchi方法将其功能扩展到各个领域。s表示信号的功率，n表示噪声的功率。信号是我们想要捕捉或传递的有用信息，而噪声是在信号传输或接收过程中引入的不需要的干扰信号。信号的功率是指信号携带的能量大小，噪声的功率是指噪声中包含的非信号部分的能量大小。信噪比就是信号功率与噪声功率之间的比本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，所述多螺旋麦克风阵列为Dougherty多螺旋臂阵列，构建方法如下：
3.根据权利要求1所述的基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，所述多螺旋麦克风阵列为Underbrink多螺旋臂阵列，构建方法如下：
4.根据权利要求1-3所述的基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，所述阵列波束宽度的系数CBW的估计方法，其表达式如下：
5.根据权利要求1所述的基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，对所述步骤S4的具体方法为：
6.根据权利要求1所述的基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，对所述步骤S4的具体方法为：
7.根据权利要求5或6所述的基于Taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，对所述步骤S5的具体方法为：
【技术特征摘要】
1.一种基于taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，所述多螺旋麦克风阵列为dougherty多螺旋臂阵列，构建方法如下：
3.根据权利要求1所述的基于taguchi方法的麦克风阵列优化方法，其特征在于，所述多螺旋麦克风阵列为underbrink多螺旋臂阵列，构建方法如下：
4.根据权利要求1-3所述的基于taguchi...
【专利技术属性】
技术研发人员：席旭刚，邱品滔，李文国，王俊宏，李训根，金燕，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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