[發明專利]一種基于子陣劃分的魯棒自適應波束形成定向拾音方法

有效

• 申請號: 202110769912.5
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113593596B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 厲劍;萬成;孟維鑫;鄭成詩;李曉東
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G10L21/0216
• 分類號: G10L21/0216
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 李彪;楊青

本發明公開了一種基于子陣劃分的魯棒自適應波束形成定向拾音方法，該方法包括：對均勻面陣列接收的時域信號進行短時傅立葉變換，得到頻域信號；對均勻面陣列按照均勻有重疊陣元的方式得到若干個子陣；對每個子陣的頻域信號使用延時求和波束形成器；依據延時求和波束形成器的輸出結果，進行DOA估計，判斷當前幀是否有目標信號，并進行DOA信息標記；使用MVDR波束形成算法對各個子陣的輸出信號進行預增強，得到預增強結果；根據DOA信息標記結果及預增強結果，進行迭代處理，得到估計噪聲協方差矩陣；依選取KP形成器的兩個虛擬子陣，分別使用自適應波束形成，采用虛擬子陣相互迭代的方式計算得到權系數，進而得到最終的波束形成輸出。

技術領域

本發明涉及信號處理技術領域，尤其涉及一種基于子陣劃分的魯棒自適應波束形成定向拾音方法。

背景技術

大型傳聲器陣列具有陣元多、孔徑大等特點，這些特點在一定程度上有利于提升波束形成器提取遠場目標信號及抑制干擾的能力。然而對于數據驅動型自適應波束 形成器，傳聲器個數的增加會導致協方差矩陣維度增大，而準確估計噪聲協方差矩陣 所需要的快拍數至少為維度(即傳聲器數目)的兩倍。當快拍數較少時，協方差矩陣 會出現奇異，導致自適應波束形成算法的性能大幅下降。同時，更高維的協方差矩陣 求逆需要大量的計算資源，增加了系統的存儲量和運算量。因此，如何降低運算復雜 度，同時利用較少的快拍數實現魯棒的波束形成器，是亟待研究的問題。

根據波束形成器系數是否依賴數據本身，常用的大型傳聲器陣列波束形成器可以分為固定波束形成器和自適應波束形成器。常用的固定波束形成器有延時求和波 束形成器(Delay and Sum Beamformer,DSB)、超指向波束形成器(SuperdirectiveBeamformer,SDB)、Dolph-Chebyshev波束形成器等。自適應波束形成器包括最小方 差無失真響應(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器、線性約 束最小方差(Linearly Constrained minimum variance,LCMV)波束形成器、廣義旁瓣消 除(Generalized Sidelobe Canceller,GSC)波束形成器、廣義特征值分解(GeneralizedEigenvalue,GEV)波束形成器等。一般情況下，固定波束形成器運算量低、魯棒性高， 但噪聲與干擾的抑制能力有限；自適應波束形成器對干擾聲源有較強的抑制能力，但 也存在運算量大、魯棒性不佳等問題。特別是當聲源到傳聲器的導向矢量估計出現偏 差、快拍數較少、或者估計的噪聲協方差矩陣中混有一部分目標語音時，都有可能會 造成“自消”現象，導致目標信號被抑制出現失真。針對上述問題，本領域技術人員 提出了經典的對角加載方法。以及在傳聲器陣列中使用克羅內科積(Kronecker Product, KP)波束形成方法提高自適應波束形成器的魯棒性，但該方法在計算過程中仍無法降 低協方差矩陣的維度。實際應用中，特別是在傳聲器數目較多的大型陣列系統中，當 快拍數相較于大型傳聲器陣列的陣元數較少時，上述波束形成器的魯棒性依然較差。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術缺陷，提出了一種基于子陣劃分的魯棒自適應波束形成定向拾音方法。

為了實現上述目的，本發明提出了一種基于子陣劃分的魯棒自適應波束形成定向拾音方法，所述方法包括：

對均勻面陣列接收的時域信號進行短時傅立葉變換，得到頻域信號；

對均勻面陣列按照均勻有重疊陣元的方式進行子陣劃分，得到若干個子陣；

對每個子陣的頻域信號使用延時求和波束形成器，得到各個子陣的輸出信號；

依據延時求和波束形成器的輸出信號，進行DOA估計，判斷當前幀是否有目標 信號，并進行DOA信息標記；

使用MVDR波束形成算法對各個子陣的輸出信號進行預增強，得到預增強結果；