近場線性約束最小方差自適應(yīng)加權(quán)頻率不變波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種近場線性約束最小方差自適應(yīng)加權(quán)頻率不變波束形成方法，屬于 麥克風陣列波束形成技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 麥克風陣列波束形成技術(shù)源于陣列天線波束形成的思想。為了提高的陣列輸出性 能，許多的經(jīng)典波束形成方法相繼提出。
[0003] 傳統(tǒng)的線性約束最小方差波束形成方法是使陣列天線方向圖的主瓣指向期望信 號方向，而且使其零陷對準干擾信號方向，以提高陣列輸出所需信號的強度并減小干擾信 號的強度，從而提高陣列的輸出性能。然而，該方法主要是用來設(shè)計窄帶天線波束形成方法 權(quán)矢量的，不適合用于設(shè)計麥克風陣列寬帶波束形成方法權(quán)矢量。如果用傳統(tǒng)的線性約束 最小方差波束形成方法來處理麥克風陣列寬帶波束形成問題，會造成波束形成所得到的波 束主瓣隨頻率的不同而發(fā)生畸變，也就是說，不同頻率的波束形狀是不一樣的，不具有寬帶 頻率不變性。
[0004] 為了實現(xiàn)寬帶頻率不變波束形成，學者們做了一些嘗試，其中，二階錐規(guī)劃方法可 用來實現(xiàn)均勻的麥克風線性陣列的遠場寬帶頻率不變波束形成，但權(quán)矢量的求解沒有閉式 解，獲得優(yōu)化權(quán)矢量所需更新的次數(shù)多、計算量大。對于遠場，麥克風陣列接收的單源聲波 是平面波；而對于近場，麥克風陣列接收的單源聲波是球面波。如果用遠場寬帶波束形成方 法來處理近場波束形成問題會帶來嚴重的波束性能損失，這是必需避免的。因此，很有必要 研究近場條件下球面聲波的寬帶頻率不變波束形成問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種近場線性約束最小方差自適應(yīng)加權(quán)頻率 不變波束形成方法，以有效解決麥克風陣列近場球面波波束形成寬帶頻率不變性問題，是 一種適用于任意陣列結(jié)構(gòu)的波束形成方法。該方法首先是在近場球面波的模型下采用線性 約束最小方差準則來設(shè)計寬帶波束形方法；然后通過對麥克風陣列空間響應(yīng)函數(shù)在指定的 寬帶頻段和位置范圍施加約束，以控制近場陣列響應(yīng)的頻率不變特性。本發(fā)明方法在多通 道語音增強、人機語音交互系統(tǒng)、助聽器、車載免提語音通信、遠程電視會議系統(tǒng)以及機器 人聽覺等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明提供一種近場線性約束最小方差自適應(yīng)加權(quán)頻率不變波束形成方法，麥 克風陣列的接收信號x(k)經(jīng)過寬帶自適應(yīng)波束形成器得到頻率不變波束y(k)，y(k)= WHX(k)，其中，H表示共輒轉(zhuǎn)置，W= [W11,…，WM1，…，W1L，…，WML] T是麥克風陣列響應(yīng)的權(quán)矢 量，Wi表示第M個麥克風通道第L個的權(quán)系數(shù)，T表示轉(zhuǎn)置，k表示時間序列；Xi(k)表示第 M個麥克風通道第L個的接收信號，且x(k) = [X11GO,…xM1(k),…，xa(k),…，xMl^(k)]T;
[0008] 麥克風陣列響應(yīng)的權(quán)矢量為w= (Rxx+ a (rq，Q n) Rps) 1C (CH (Rxx+ a (rq，Q n) RPS) 1C) 1F,其中，Rxx= E[x(k)xT(k)]為麥克風陣列的接收信號x(k)的自相關(guān)矩陣；C= [d。 (r，f。)，Cl1 (r，f\)，L，dn (r，fn)，L，d(N 1} (r，fN J ]，為 MLXN 維約束矩陣，O 彡 n 彡 N-1，N 是頻率 個數(shù)；<(&/") = ?，/;,)? %(./")表示近場中場點距離為r、頻率為仁時的麥克風陣列響應(yīng)矢 量，a(r，fn)表示為近場中場點距離為r、頻率為fn時的空時二維導(dǎo)向矢量，DJfn)表示頻率 為fn時麥克風陣列的延遲函數(shù)矢量，輕表示笛卡爾乘積，fn為信號的第n個頻率；F為NX1 約束值矢量，且F= -1)//;，L1>//:，L，e-，fs是采樣頻率；Rps為空間響應(yīng) 偏差函數(shù)的平衡矩陣；a(rq，Qn)為隨場點距離rq、頻率Q/變化的動態(tài)加權(quán)系數(shù)，rq是近 場中第q個場點到坐標原點的距離即場點距離，〇 <q<Q_1，Q表示近場中選取的場點數(shù)， Qn= 1/%為歸一化頻率。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，麥克風陣列響應(yīng)的權(quán)矢量w的獲取步驟如下：
[0010] 步驟a):將線性約束最小方差波束形成問題表示為 中，min表示取最小值；s.t.表示約束條件；
[0011] 步驟b):由步驟a)所述的線性約束最小方差波束形成問題，將線性約束最小方差 波束形成方法的目標函數(shù)表示為
[0012] L (w) =whRxxw+ A (Chw-F)
[0013] 式中，入為IXN維拉格朗日乘子矢量；
[0015] SRV=whRpsw=wH [ (I- 0 )Rp+ 0Rs] w ；
[0016] 式中，Q為歸一化頻率域；Qraf表示參考頻率；rFI表示頻率不變的空間位置范圍； SRV是表示近場中場點距離為rq、歸一化頻率為Qn時的陣列響應(yīng)矢量dn(rq，Qn)與近場中 場點距尚為rq、參考頻率為Q"^時的參考陣列響應(yīng)矢量d(rq,Qraf)間偏差矢量的平方，當 波束形成具有頻率不變的空時二維響應(yīng)時，SRV為零，此時信號能夠無失真輸出；空間響應(yīng) 偏差函數(shù)的平衡矩陣Rps= (1-0 )RP+0Rs，其中，〇< 0 <1是平衡頻率不變性與阻帶衰 減的參數(shù)，為近場中參考點到坐標原點的距離即參考距離；Rp為參考距離為r、歸一化 頻率為Qn時的陣列響應(yīng)矢量dn(rraf,Qn)與參考距離為rraf、參考頻率為Qraf時的參考陣 列響應(yīng)矢量d(rraf,U間偏差矢量的矩陣，即Rp= (d(rTOf，Qn)_d(rraf，U)H(d(rraf， Qn)-d(rraf，U) ;RS是場點距離為rq、參考頻率U寸的參考陣列響應(yīng)矢量d(rq,U 的矩陣，即Rs=dH(rq,Qraf)d(rq,U;
[0017] 步驟d):將步驟c)所述的空間響應(yīng)偏差函數(shù)SRV引入到步驟b)所述的目標函數(shù) 中，得到近場線性約束最小方差加權(quán)頻率不變波束形成問題為
[0018]
[0019] 其中，a是矩陣加權(quán)系數(shù)，是正常數(shù)；
[0020] 由近場線性約束最小方差加權(quán)頻率不變波束形成問題，將近場線性約束最小方差 加權(quán)頻率不變波束形成方法的目標函數(shù)表示為
[0021] Lw (w) = wH (Rxx+ a Rps) w+ X (ChW-F)，
[0022] 步驟e):將步驟d)所述的矩陣加權(quán)系數(shù)a修改為隨場點距離rq、頻率Qn變化的 動態(tài)加權(quán)系數(shù)a(rq，Qn)，則得到近場線性約束最小方差自適應(yīng)加權(quán)頻率不變波束形成方 法的目標函數(shù)，即
[0026] 得
[0027] w= (Rxx+a(rq，Qn)RPS)1C入，
[0028] 將其代入CHw=F，得
[0029] 入=(CH (Rxx+a(rq，Qn)Rps) 1C) 1F,
[0030] 因此，麥克風陣列響應(yīng)的權(quán)矢量w為
[0031] w= (Rxx+a(rq，Qn)Rps)1C(CH (Rxx+a(rq，Qn)Rps) 1C) 1F0
[0032] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，麥克風陣列響應(yīng)的權(quán)矢量w隨動態(tài)加權(quán)系數(shù) a(rq，Qn)的更新而更新，其第i次更新的權(quán)矢量為
[0033] W(1) =(Rxx+a⑴(rq，Qn)Rps)1C(CH (Rxx+a⑴(rq，Qn)Rps)iC) 1F,
[0034] 其中，a(1) (rq，Qn)為第i次更新的動態(tài)加權(quán)系數(shù)。
[0035] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，動態(tài)加權(quán)系數(shù)a(rq，Qn)的更新方法為：
[0037] 式中，a(1+1) (rq，Qn)為第i+1次更新的動態(tài)加權(quán)系數(shù)；max表示取最大值；GS為空 間響應(yīng)函數(shù)的更新增益；w(1)為第i次更新的權(quán)矢量；a(1) (rq，Qn)為第i次更新的動態(tài)加 權(quán)系數(shù)
為全頻帶范圍內(nèi)不同空間位置中最小的頻譜能量， rstop為阻帶區(qū)域的位置范圍。
[0038] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，麥克風陣列為均勻線性陣列。
[0039] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0040] 1)充分考慮了麥克風陣列近場球面波的數(shù)學模型；
[0041] 2)對陣列的結(jié)構(gòu)沒有限制，本發(fā)明適用于任意結(jié)構(gòu)的麥克風陣列；
[0042] 3)在代價函數(shù)中的期望響應(yīng)選擇上沒有采用通常的近場期望響應(yīng)值，而是將近場 參考頻率、參考位置上的陣列響應(yīng)作為其期望響應(yīng)，獲得了良好的近場寬帶頻率不變性。
【附圖說明】
[0043] 圖1是本發(fā)明的原理圖。
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