[發(fā)明專利]一種基于MVDR協(xié)方差矩陣元素自適應(yīng)相角轉(zhuǎn)換的DOA估計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811623769.3
• 申請(qǐng)日: 2018-12-28
• 公開（公告）號(hào): CN109725285B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王哲;張力;侯阿婷;穆林濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安云脈智能技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01S3/802
• 分類號(hào): G01S3/802
• 代理公司: 西安科果果知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61233
• 代理人: 何銳

本發(fā)明公開了一種基于MVDR協(xié)方差矩陣元素自適應(yīng)相角轉(zhuǎn)換的DOA估計(jì)方法，本發(fā)明通過對(duì)VAD檢測(cè)得到有效幀進(jìn)行Fourier變換得到聲源信號(hào)的所有特征子頻，然后重建特征子頻的協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量計(jì)算方程，在對(duì)協(xié)方差矩陣元素進(jìn)行PTA分解重組，將陣元間接收數(shù)據(jù)相位差轉(zhuǎn)化為聲源入射角度，最后根據(jù)麥克風(fēng)陣元組合以及特征子頻矢量，對(duì)信號(hào)入射角度進(jìn)行最優(yōu)加權(quán)，從而得到信號(hào)源的DOA估計(jì)；使得MVDR加權(quán)向量運(yùn)算得到簡(jiǎn)化，從而提高DOA估計(jì)指向性和準(zhǔn)確度，得以解決現(xiàn)有波束成形算法工程實(shí)現(xiàn)效率和定位準(zhǔn)確度不高的缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于基于麥克風(fēng)陣列技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于MVDR協(xié)方差矩陣元素自適應(yīng)相角轉(zhuǎn)換的DOA估計(jì)方法。

背景技術(shù)

基于麥克風(fēng)陣列的DOA估計(jì)在無線通信、語音識(shí)別等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)的DOA估計(jì)方法包含基于時(shí)延的GCC算法、基于線性預(yù)測(cè)的MVDR算法以及基于信號(hào)子空間分解的MUSIC算法等。過去的三十多年中，基于傳統(tǒng)方法的眾多改進(jìn)算法被提出來，并受到廣大學(xué)者的關(guān)注與重視，并在算法性能上表現(xiàn)出高分辨率、高估計(jì)精度等優(yōu)點(diǎn)。然而在實(shí)際工程中，由于受到陣列接收性能、噪聲信號(hào)干擾以及多重聲源混合的影響，使得改進(jìn)算法對(duì)DOA估計(jì)的準(zhǔn)確度嚴(yán)重下降。

對(duì)于設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的自適應(yīng)波束成形方法，考慮到穩(wěn)健性，算法優(yōu)化以及干擾抑制三方面因素，因此會(huì)采用一些技術(shù)措施達(dá)到此目的。GCC方法通過計(jì)算陣元接收信號(hào)時(shí)間差，將信號(hào)互相關(guān)函數(shù)的極值作為延遲特征，但是實(shí)際的信號(hào)會(huì)有噪聲，低信噪比會(huì)導(dǎo)致互相關(guān)函數(shù)的峰值不夠明顯，這會(huì)在找極值的時(shí)候造成誤差；MUSIC算法則是對(duì)任意陣列輸出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，從而得到與信號(hào)分類相對(duì)應(yīng)的信號(hào)子空間和與信號(hào)分量相正交的噪聲子空間，然后利用這兩個(gè)子空間的正交性構(gòu)造空間譜函數(shù)，通過譜峰搜索，檢測(cè)聲源。但是由于特征值分解過程中對(duì)于噪聲抑制的左右有限，導(dǎo)致聲源個(gè)數(shù)估計(jì)的效率有限，造成DOA估計(jì)的誤差；傳統(tǒng)的MVDR算法通過對(duì)角加載處理采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，使之更接近于理想的干擾加噪聲矩陣，能增強(qiáng)穩(wěn)健性，但這種方法缺乏嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)來準(zhǔn)確的選擇最優(yōu)加載矩陣，對(duì)于其不確定集在不同的背景下難以確定。

以上這些算法總是存在著各自的缺點(diǎn)不能再增強(qiáng)穩(wěn)健性的同時(shí)滿足DOA準(zhǔn)確性的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種基于MVDR協(xié)方差矩陣元素自適應(yīng)相角轉(zhuǎn)換的DOA估計(jì)方法，能夠簡(jiǎn)化MVDR加權(quán)向量運(yùn)算，從而提高DOA估計(jì)指向性和準(zhǔn)確度，克服現(xiàn)有波束成形算法工程實(shí)現(xiàn)效率和定位準(zhǔn)確度不高的缺陷。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于MVDR協(xié)方差矩陣元素自適應(yīng)相角轉(zhuǎn)換的DOA估計(jì)方法，包括以下操作：

1)對(duì)麥克風(fēng)陣列接收的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化的聲強(qiáng)校準(zhǔn)后分幀處理，在經(jīng)VAD檢測(cè)進(jìn)行得到包含目的聲源的聲源有效幀；

2)對(duì)檢測(cè)得到的聲源有效幀進(jìn)行Fourier變換得到聲源信號(hào)的所有特征子頻；

3)選取所有陣元接收信號(hào)的特征子頻，重建特征子頻的協(xié)方差矩陣；其中，協(xié)方差矩陣由陣列流形矢量與Fourier變換得到的接收信號(hào)乘積得到，其非對(duì)角元素已包含相鄰陣元間的時(shí)延表達(dá)；

4)將協(xié)方差矩陣非對(duì)角矢量進(jìn)行自適應(yīng)相角轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相位求差，再根據(jù)歐拉方程求解，將非對(duì)角矢量相位差轉(zhuǎn)化為信號(hào)入射方向的俯仰角，進(jìn)而求得信號(hào)入射方向的方位角；

5)根據(jù)麥克風(fēng)陣元組合以及特征子頻矢量，對(duì)信號(hào)入射的角度進(jìn)行最優(yōu)加權(quán)，從而得到目的聲源的DOA估計(jì)。

所述的聲源有效幀的獲取為：