[發明專利]一種基于聲特征的全變分正則化測向方法及系統

在審

• 申請號: 202210204689.4
• 申請日: 2022-03-02
• 公開（公告）號: CN114895237A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 劉志紅;劉尊民;李超;趙化良;馬鳴
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 閆偉姣

本發明提供了一種基于聲特征的全變分正則化測向方法及系統，包括基于平面陣列獲取入射聲源的輸出聲信號；基于預先構建好的二維全變分稀疏波達方向估計模型計算入射聲源的波達方向估計值；其中，所述二維全變分稀疏波達方向估計模型的構建過程，具體為：根據聲源的空間分布特征建立空間擴展聲源模型；構建二維陣列流形矩陣，得到二維矩陣列矩陣的過完備表述，基于二維矩陣列矩陣的過完備表述確定入射聲源的二維稀疏表示；構建二維全變分結構矩陣，基于所述二維全變分結構矩陣構建二維全變分稀疏波達方向估計模型；本發明促進了分段常數解，體現了空間平滑性，因此在涉及塊稀疏性或尖峰和平坦區混合的情形下，有效提高了DOA估計性能。

技術領域

本發明屬于聲陣列信號處理技術領域，具體涉及一種基于聲特征的全變分正則化測向方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

測向技術作為人機交互中重要的前處理技術，是聲源定位的核心，是語音增強的前提，其利用麥克風陣列接收聲信號，分析計算聲源位置，也就是說，進行波達方向估計(Direction of Arrival,DOA)，實現聲源的定向拾取與增強。

目前，波達方向估計的主要方法包括：子空間類算法、最大似然類算法、波束形成類算法和稀疏重構算法。前3種方法因需要繁雜的統計數值作為初始變量，對低信噪比，快拍數小，相干源等不能精確估計DOA等缺陷，逐漸被以稀疏表示及稀疏重構為基礎的稀疏DOA估計所代替。而稀疏DOA估計通常為欠定問題，即所估計聲源位置數量大于測量聲陣列的麥克風數量，這將導致陣列輸出信號與聲源信號間的線性方程無解，無法求得聲源的DOA。為此，通過附加約束項的正則化處理，求出滿足此約束的近似解。不同的約束項則得出不同的近似解。其中，以稀疏度(L1范數約束)作為約束項形成了LASSO模型，以能量最小(L2范數約束)作為約束的最小二乘模型。它們在相干源或單個快拍數據存在的情況下同樣均能夠進行高分辨率DOA估計。但是，隨著快拍數量變小、目標密集度增加、多目標相關性強的實際應用需要，尤其，對于具有空間位置具有成組性特征，幅值分布具有階段線性和塊稀疏性的擴展聲源的稀疏DOA估計，這兩種方法不再適合。

為此，提出了廣義LASSO即GL，通過構建附加結構矩陣來對解施加幾何或結構約束，增強DOA估計精度。GL從數學角度等價于全變分模型。全變分模型因其能夠保留圖像中較大特征，同時抑制較小尺度的噪聲分量，被廣泛應用于圖像處理，但在聲學中提及較少且只限于一維DOA估計，其在聲學DOA估計中的應用亟待擴展。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種基于聲特征的全變分正則化測向方法及系統，本發明在一般LASSO基礎上創建并利用的全變分正則項約束促進了分段常數解，體現了空間平滑性，因此在涉及塊稀疏性或尖峰和平坦區混合的情形下，有效提高了DOA估計性能。

根據一些實施例，本發明的第一方案提供了一種基于聲特征的全變分正則化測向方法，采用如下技術方案：

一種基于聲特征的全變分正則化測向方法，包括：

基于平面陣列獲取入射聲源的輸出聲信號；

基于預先構建好的二維全變分稀疏波達方向估計模型計算入射聲源的波達方向估計值；

其中，所述二維全變分稀疏波達方向估計模型的構建過程，具體為：

根據聲源的空間分布特征建立空間擴展聲源模型；

構建二維陣列流形矩陣，得到二維矩陣列矩陣的過完備表述，基于二維矩陣列矩陣的過完備表述確定入射聲源的二維稀疏表示；

構建二維全變分結構矩陣，基于所述二維全變分結構矩陣構建二維全變分稀疏波達方向估計模型。

進一步地，所述基于平面陣列獲取入射聲源的輸出聲信號，具體為：