一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法：首先建立單位幅度平面波入射到球麥克風陣列的聲場模型；然后構建球諧域含噪聲源信號模型；對球麥克風陣列接收到的含噪聲源信號進行球諧域實值波束形成，得到球諧域的波束；構建球麥克風陣列陣增益最大時的MVDR波束，求出此時的最優實值權重；最后，計算球諧域實值權重平方的峰值點，提取出聲源的空間方位最大估計值點。該方法利用MVDR波束形成獲得球諧域最優實值權重，克服了傳統方法計算量大、計算復雜度高的不足，顯著的降低了運算量、滿足自由空間的全方位估計，對聲場進行更充分的采樣。
【專利說明】一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，可廣泛用于聲源定位等領域。具體是基于最小方差無失真響應(MVDR)波束形成原理，結合空域和球諧域之間的轉換，將球麥克風陣列采集到的空域聲場信號轉化到球諧域，進行球諧域實值權重波束形成，構造實值MVDR波束形成的權重設計，利用拉格朗日乘數法求得最優實值權重，最終通過搜索實值權重平方的峰值得到聲源的空間方位信息。與傳統的聲源定位方法相t匕，本方法采用的是實值權重，只需要幅度加權，減小了計算量，降低了計算復雜度，能夠滿足自由空間的全方位估計，對聲場進行更充分的采樣。
【背景技術】
[0002]聲源定位是對采集到的聲場信號進行分析和處理，來獲取聲源空間方位的過程。首先需要采用麥克風陣列對聲場進行采集，然后對采集到的聲場信息進行波束形成。
[0003]單一的麥克風所獲得的聲源信息有限，難以在實際復雜的環境下獲得較好的效果，因此采用麥克風陣列，麥克風陣列具有靈活的波束控制，極強的抗干擾能力和高空間分辨率等優點。根據陣元排列幾何形狀的不同，可將麥克風陣列劃分為:線性麥克風陣列、平面麥克風陣列、球麥克風陣列。線性麥克風陣列結構簡單、處理方便，但是，在空間譜估計中只能提供一維方位角度信息。平面麥克風陣列可以提供的角度覆蓋，然而，在Z \* MERGEFORMAT軸方向沒有基元，致使平面麥克風陣列對俯仰角的估計只能提供的角度覆蓋，平面麥克風陣列不能滿足自由空間的全方位估計，導致平面麥克風陣列不能對聲場進行充分的采樣，并且注意到，球麥克風陣列與傳統的線性麥克風陣列和平面麥克風陣列相比，球麥克風陣列具有良好的對稱性、旋轉性及球諧正交性，滿足自由空間的全方位估計。這些特性使其充分獲取聲源方位角和俯仰角信息，能夠對聲場進行更加充分的采樣，因此在三維空間的多聲源定位方面更具有優勢。
[0004]目前針對采用波束形成進行球麥克風陣列多聲源定位的方法主要是:固定波束形成和統計最優波束形成。前者是采用固定的權值對球麥克風陣列采集到的信號進行波束形成，此方法自適應能力差，只能對固定波束上的信號進行濾波消噪，使聲源定位具有局限性、不準確性。相對于前者，后者是根據來波信號的方向進行自適應波束形成，這使其具有良好的自適應能力，可以根據信號的不同進行自適應調節權值，進而獲得最優波束。此方法能夠增強特定方向的信號，對特定方向信號進行空域濾波，進而獲得聲源信號的方位信息。MVDR波束形成是使陣列波束輸出噪聲方差最小，并在陣列的觀察方向上無失真輸出，屬于統計最優波束形成。然而，基于可控波束形成的聲源定位方法需要進行全局搜索，運算量極大，很難在現實中實現；其次，現有的MVDR波束形成，大都采用復值權重進行波束形成，這也大大的增加了運算的復雜度；最后，現有波束形成在進行全局搜索時，采用的是搜索波束輸出的功率譜，在獲得聲源的方位信息前，需要先對功率譜進行求解，增加了計算的復雜度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術存在的不足，提出一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，該方法克服傳統方法計算量大、計算復雜度高的不足，顯著的降低了運算量、能夠滿足自由空間的全方位估計，對聲場進行更充分的采樣。
[0006]為了達到上述目的，本發明的構思是:首先建立單位幅度平面波入射到球麥克風陣列的聲場模型；然后構建球諧域含噪聲源信號模型；對球麥克風陣列接收到的含噪聲源信號進行球諧域實值波束形成；構建球麥克風陣列陣增益最大時的MVDR波束，求出此時的最優實值權重；最后，計算球諧域實值權重平方的峰值點，提取出聲源的空間方位最大估計值點。
[0007]根據上述發明構思，本發明采用的技術方案是:
一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法主要包括以下幾個步驟:
(1)、建立球坐標系，描述球麥克風陣列在球面上每個陣元的位置，建立單位幅度平面波入射到球麥克風陣列的聲場模型；
(2)、構建球諧域含噪聲源信號模型；
(3)、對球麥克風陣列接收到的含噪聲源信號進行球諧域實值波束形成，得到球諧域的波束；
(4)、構建球麥克風陣列陣增益最大時的MVDR波束，利用拉格朗日乘數法，求出最優球諧域實值權重，記為冒;
(5)、計算球諧域實值權重平方\*MERGEFORMAT的峰值點，提取球諧域實值
權重平方的最大峰值點對應的方位角，確定聲源的空間方位最大估計值點，即為最優聲源的方位。
[0008]本發明的一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法與現有技術相比較，具有如下顯而易見的優勢:該方法利用球麥克風陣列的三維空間特性對聲場信號的方位角和俯仰角進行充分的全方位采樣，將空域信號進行球傅里葉變換轉化到球諧域中，利用MVDR波束形成獲得球諧域最優實值權重，采用球諧域最優實值權重平方獲得聲源的方位信息，可廣泛的用于聲源定位等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法的流程圖；
圖2為本發明的球麥克風陣列采集空間聲場的球坐標系示意圖；
圖3為本發明的球諧域實值權重波束形成的示意圖；
圖4為本發明的球諧域實值權重平方的定位方法的空間等高圖。
【具體實施方式】
[0010]為了更好地理解本發明的技術方案，以下作進一步的詳細描述:
本方法的流程參見圖1，本發明的一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，利用球麥克風陣列對高階聲場的處理特性，結合實值權重MVDR波束形成原理，進行空間多聲源的定位，具體實施步驟如下:(1)、建立球坐標系，描述球麥克風陣列在球面上每個陣元的位置，建立單位幅度平面波入射到球麥克風陣列的聲場模型，具體如下:
建立球坐標系，如圖2所示，圖中，y點代表分布在半徑為及的球麥克風陣列上的相互獨立、各向同性的陣元,陣元的個數為I;坐標原點G為球麥克風陣列的球心,位于球面y點處的第/個陣元的俯仰角和方位角為
【權利要求】
1.一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)、建立球坐標系，描述球麥克風陣列在球面上每個陣元的位置，建立單位幅度平面波入射到球麥克風陣列的聲場模型； (2)、構建球諧域含噪聲源信號模型； (3)、對球麥克風陣列接收到的含噪聲源信號進行球諧域實值波束形成，得到球諧域的波束； (4)、構建球麥克風陣列陣增益最大時的MVDR波束，利用拉格朗日乘數法，求出最優球諧域實值權重，記為
2.根據權利要求1所述的一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，其特征在于，上述步驟(3)中所述的對球麥克風陣列接收到的含噪聲源信號進行球諧域實值波束形成，得到球諧域的波束，具體如下: 設球諧域實值波束形成，
3.根據權利要求2所述的一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，其特征在于，上述步驟(4)中所述的構建球麥克風陣列陣增益最大時的MVDR波束，求得球諧域實值權重，具體步驟如下: 設球諧域實值波束的輸出信號功率為
4.根據權利要求3所述的一種基于球諧域實值權重波束形成的多聲源定位方法，其特征在于，上述步驟(5)中所述的(30)球諧域實值權作平方運算，計算球諧域實值權重平方
【文檔編號】G01S5/18GK103592628SQ201310559245
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】胡瑞, 黃青華, 李琳, 陳飛, 馮玉武 申請人:上海大學