[發(fā)明專利]一種基于虛擬子陣交織的聲陣列空間濾波方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011430717.1
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112731282A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周乾偉;陶俊;王浩杰;李寶清;吳延壯;胡海根;李小薪;管秋
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

一種基于虛擬子陣交織的聲陣列空間濾波方法，所述方法包括波束成形方法和波達(dá)方向估計(jì)方法。一種基于虛擬子陣交織的聲陣列空間濾波系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：超密集微聲虛擬陣列，用于設(shè)置陣列框架，模擬聲波的多徑現(xiàn)象；聲陣列空間濾波模塊，用于將輸入聲源進(jìn)行白噪聲削弱進(jìn)行波束成形和波達(dá)方向計(jì)算。本發(fā)明利用超密集微聲陣列的冗余特性，構(gòu)建出多種不同的虛擬子陣，利用子陣間不同的陣列流行對同一目標(biāo)形成多種不同的測量結(jié)果，以加權(quán)平均的方式濾除結(jié)果中的隨機(jī)噪聲及干擾，可以提高陣列波束成形的指向性及波達(dá)方向估計(jì)的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超密集微聲陣列領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于虛擬子陣交織的聲陣列空間濾波方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著芯片制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，麥克風(fēng)陣列的孔徑也在隨之減小。1997年，美國陸軍實(shí)驗(yàn)室研制出一個(gè)尺寸為8英尺、采用有心均勻圓陣，可對單目標(biāo)或者雙目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的聲陣列，然后由于算力受限，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定向。英國的國防公司奈奎蒂克研發(fā)了一款采用五元十字陣列的孔徑大于一米的聲陣列，通過ISM算法使得對于坦克的定向精度在2度以內(nèi)。日本愛知縣立大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一款四元線陣用來做車輛探測，其孔徑為15cm，采用延時(shí)算法，定向精度為5度。拉脫維亞大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)聲陣列系統(tǒng)用來做車輛技術(shù)和車輛方向識別，該陣列的孔徑為20cm，陣型為3元線陣，定向精度為20度，其定向的目標(biāo)是拖車。加州大學(xué)伯克力分校電子工程系設(shè)計(jì)的追逃試驗(yàn)中移動節(jié)點(diǎn)樣機(jī)就采用了微小麥克風(fēng)陣列技術(shù)，采用聲音、震動及圖像等三類物理量進(jìn)行協(xié)同處理，并融合無線網(wǎng)絡(luò)通信、環(huán)境及規(guī)避映射設(shè)計(jì)、策略規(guī)劃及反應(yīng)及決策等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多移動陣列對多活動目標(biāo)源的動態(tài)追蹤試驗(yàn)，但是這個(gè)所謂的微小孔徑聲陣列是移動的，且尺寸并不是很小。加州大學(xué)洛杉磯分校KungYao教授采用傳聲器陣列做為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，其中每個(gè)傳感器陣列節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立的給出遠(yuǎn)場聲源的方向或近場聲源的位置，再利用所有節(jié)點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)對聲源的定位與跟蹤。威斯康星大學(xué)的Yuheng Hu教授采用單一傳聲器為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)傳聲器節(jié)點(diǎn)接收到信號能量的不同進(jìn)行聲源定位；且每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用支持向量機(jī)技術(shù)對聲源目標(biāo)進(jìn)行識別，并將所有結(jié)果在監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別、定位與跟蹤。美國陸軍工程研究與發(fā)展中心利用不同孔徑的傳聲器陣列組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對車輛檢測和跟蹤，其中傳聲器陣列的孔徑從0.3m到34m，采用MVDR算法對聲目標(biāo)測向。

綜上我們發(fā)現(xiàn)，即使陣列孔徑已經(jīng)得到了極大的減小，從幾米減小到幾十厘米，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超密集微聲陣列所需求的幾十毫米。此外，多數(shù)陣列只考慮聲音信號中的某幾個(gè)子帶，說明這些陣列只能處理窄帶信號。然而聲目標(biāo)往往輻射寬帶信號，僅僅使用其中的一小部分則會丟失大部分與聲目標(biāo)相關(guān)的信息，不利于目標(biāo)識別算法的研發(fā)，而目標(biāo)識別是現(xiàn)代聲陣列應(yīng)用中不可或缺的重要組成部分。產(chǎn)生上述問題的主要原因是常用的加和陣列的角度分辨能力與孔徑、頻率、陣元間距、陣元數(shù)成反比。其中增加陣元數(shù)會增加計(jì)算開銷，故往往選擇增加孔徑和陣元間距，導(dǎo)致現(xiàn)有的陣列都具有較大的孔徑。又因?yàn)轭l率亦會影響分辨率，陣列對寬帶信號的響應(yīng)將不再平坦，所以往往只處理窄帶信號，只有當(dāng)頻率和陣元間距都比較大時(shí)才能取得較好的波束成形效果，在微陣列上(頻率低于500Hz，間距小于1-5mm)基本不能實(shí)現(xiàn)有效的波束成形。

而和加和陣列不同的是，差分陣列要求陣列能夠逼近聲場對空間距離的微分，而且高階差分陣列所實(shí)現(xiàn)的波束圖具有指向性高、陣列增益高、波束圖形狀靈活等優(yōu)點(diǎn)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，差分陣列近些年逐漸受到國內(nèi)外同行的關(guān)注。然而差分陣列存在白噪聲抑制能力差的缺點(diǎn)，尤其在低頻段，該缺陷尤為突出。以1階差分陣列為例，經(jīng)典差分波束成形的白噪聲抑制能力以6dB每倍頻程的速度減弱。對于密集微陣列，由于目標(biāo)的頻率范圍低至30Hz，某些遠(yuǎn)距離探測任務(wù)甚至需要處理10Hz左右的信號，導(dǎo)致差分陣列可能因白噪聲抑制能力太差而無法應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容