[發(fā)明專利]基于麥克風(fēng)陣列成像的壓縮波束形成及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011179418.5
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112526451A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王天楊;孫仕林;褚福磊
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G06F17/16
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 王迎;袁文婷

本發(fā)明提供一種基于麥克風(fēng)陣列成像的壓縮波束形成方法及系統(tǒng)，其中的方法包括：根據(jù)目標(biāo)聲源信息和待處理麥克風(fēng)陣列中各傳感器的方位信息，建立聲學(xué)逆問題模型；基于聲學(xué)逆問題模型對聲信號進(jìn)行信號分割處理，并提取分割處理后的聲信號的頻率分量，以獲取與麥克風(fēng)對應(yīng)的信號分量；在聲學(xué)逆問題模型中引入廣義最小最大凹懲罰函數(shù)，獲取與信號分量對應(yīng)的壓縮波束形成的最優(yōu)化問題；初始化最優(yōu)化問題的結(jié)果向量，并迭代求解最優(yōu)化問題，獲取與目標(biāo)聲源對應(yīng)的壓縮波束形成結(jié)果；根據(jù)壓縮波束形成結(jié)果生成與壓縮波束對應(yīng)的聲像。利用上述發(fā)明能夠在低頻、低信噪比的環(huán)境下具有較好的魯棒性，能夠提高聲像的空間分辨率，增強(qiáng)聲源強(qiáng)度估計的準(zhǔn)確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陣列信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，涉及一種基于麥克風(fēng)陣列成像的壓縮波束形成方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著陣列信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，麥克風(fēng)陣列在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、振動噪聲測試、語音定位跟蹤等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好效果，相比于傳統(tǒng)的單傳感器聲學(xué)測量手段，采用麥克風(fēng)陣列能夠生成聲像，聲像比一維聲信號中包含更多有效信息，如方位、源強(qiáng)度等，在多源同時存在的環(huán)境下也能有效地分辨出不同的聲源，而無需采用盲源分離等傳統(tǒng)的輔助方法。波束形成是一種陣列信號處理技術(shù)，通過對陣列接收到的信號進(jìn)行空域?yàn)V波，在特定方向形成虛擬波束，從而增強(qiáng)對該方向信號的探測能力，抑制其他方向存在的干擾信號。波束形成是麥克風(fēng)陣列、雷達(dá)系統(tǒng)等提取待測目標(biāo)信息的關(guān)鍵技術(shù)，通過采用合適的波束形成算法，能夠使得由全向傳感器組成的陣列聚焦于期望方向，進(jìn)而獲得被測目標(biāo)的空域信息，麥克風(fēng)陣列的聲成像結(jié)果與所采用的波束形成方法密切相關(guān)。

傳統(tǒng)的延時-求和波束形成方法誕生于20世紀(jì)60年代(Williams J R.Fast Beam-Forming Algorithm[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1968,44(5):1454-1455.)，該方法對事先劃分的聲源重建網(wǎng)格進(jìn)行逐節(jié)點(diǎn)掃描，根據(jù)理想介質(zhì)中聲傳播規(guī)律推測聲源可能存在的空間位置，因此其結(jié)果準(zhǔn)確性受到聲源數(shù)量的影響，當(dāng)聲源數(shù)目不唯一時，求得的聲源幅值會出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，且其存在空間分辨率低、旁瓣干擾強(qiáng)等不足。為了克服延時-求和波束形成的不足，多種自適應(yīng)波束形成方法被相繼提出，包括最小方差無畸變響應(yīng)波束形成(Capon J.High-resolution frequency-wavenumber spectrumanalysis[J].Proceedings of the IEEE，1969，57(8):1408-1418.)、線性約束最小方差波束形成(Frost O L.An algorithm for linearly constrained adaptive arrayprocessing[J].Proceedings of the IEEE，1972，60(8):926-935.)等，雖然這些方法能夠進(jìn)一步提高麥克風(fēng)陣列在聲源辨識過程中的準(zhǔn)確性，改善由于旁瓣存在帶來的能量泄漏問題，但陣列的空間分辨率始終受到瑞利限的限制，上述傳統(tǒng)方法均無法突破這一限制。

目前，壓縮波束形成是一種近年來被廣泛關(guān)注的新型波束形成策略。在許多情況下，聲源的空域特征、頻域特征、時頻域特征等具有稀疏的結(jié)構(gòu)特征，該特性提供了有效的聲源先驗(yàn)信息，有助于對聲場進(jìn)行精確的重構(gòu)與還原，因此通過建立掃描點(diǎn)與陣列中各麥克風(fēng)之間的聲傳播模型，并施加一定的稀疏約束求解聲學(xué)逆問題，就能利用有限數(shù)量的麥克風(fēng)獲得更多有關(guān)聲源的有效信息，相比于上述傳統(tǒng)方法，壓縮波束形成能夠進(jìn)一步提高聲像的空間分辨率，突破瑞利限的限制。根據(jù)壓縮感知相關(guān)理論，稀疏約束以向量的0范數(shù)表示，在最優(yōu)化問題中，以0范數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的正則項(xiàng)能夠得到更稀疏的結(jié)果，從而對應(yīng)聲源的稀疏結(jié)構(gòu)特征。然而，0范數(shù)具有非光滑的函數(shù)特性，存在不可微區(qū)間，因此難以對帶有0范數(shù)約束的聲場重建問題進(jìn)行直接求解。