波束形成方法和装置与流程

本公开涉及信息处理领域，特别涉及一种波束形成方法和装置。

背景技术：

语音信号属于宽带信号，对于基于窄带信号的波束形成算法，其波束响应会随着信号频率的变化而变化。为了能够使波束响应不随信号频率的变化而变化，特别是在主瓣方向对感兴趣的频率范围保持不变，目前主要采用以下两种思路。第一种方式是利用波束形成中频率和孔径的关系，通过改变阵列的有效孔径使得不同频率对应的波束恒定不变；第一种方式是根据预定准则使得需要合成的波束与期望波束逼近。

技术实现要素：

发明人通过研究发现，在上述的第一种方式中，阵列形状需严格满足扩展结构的要求，并且要求阵列尺寸较大，需要的阵元数目较多。在上述的第二种方式中，尽管可使用任意形状的阵列，但由于贝塞尔(bessel)级数需要保留到十几阶才能有较好的精度，因此仍需要较多的阵元个数据。

为此，本公开提供一种波束形成方案，以适用不同阵元数量的麦克风阵列。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种波束形成方法，包括：将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带；对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数；将所述时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数；对所述频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数；将所述滤波系数进行合成，以得到相应的波束形成系数；利用所述波束形成系数进行波束形成处理。

在一些实施例中，将所述时域系数从时域转换到频域包括：将与第m个麦克风相关联的时域系数通过补零进行扩展，以得到第m个麦克风的扩展系数，其中第m个麦克风的扩展系数为n维向量，n为频带个数，1≤m≤m，m为麦克风总数；将第m个麦克风的扩展系数从时域转换到频域，以得到第m个麦克风在相应频带的中心频率点的频域系数。

在一些实施例中，对所述频域系数进行带通滤波包括：针对第m个麦克风，将除第n个频率点之外的其它频率点对应的频域系数置零，以得到第m个麦克风在第n个频率点的滤波系数，1≤n≤n。

在一些实施例中，将所述滤波系数进行合成包括：将第m个麦克风在各频率点的滤波系数进行合成，以得到第m个麦克风的合成系数；将各麦克风的合成系数进行合成，以得到相应的波束形成系数。

在一些实施例中，所述响应约束包括：在声波入射角θ的主瓣区域内响应为第一指定值，在声波入射角θ的旁瓣区域内响应为第二指定值，第一指定值大于第二指定值。

在一些实施例中，所述第一指定值为1，所述第二指定值为0。

在一些实施例中，给每个频带的中心频率在时域施加的响应约束与相应频带的中心频率、声波入射角θ和对应的时域系数相关联。

根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种波束形成装置，包括：频带划分模块，被配置为将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带；时域系数处理模块，被配置为对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数；转换模块，被配置为将所述时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数；滤波模块，被配置为对所述频域系数进行带通滤波，对所述频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数；合成模块，被配置为将所述滤波系数进行合成，以得到相应的波束形成系数；波束形成处理模块，被配置为利用所述波束形成系数进行波束形成处理。

在一些实施例中，转换模块被配置为将与第m个麦克风相关联的时域系数通过补零进行扩展，以得到第m个麦克风的扩展系数，其中第m个麦克风的扩展系数为n维向量，n为频带个数，1≤m≤m，m为麦克风总数；将第m个麦克风的扩展系数从时域转换到频域，以得到第m个麦克风在相应频带的中心频率点的频域系数。

在一些实施例中，滤波模块被配置为针对第m个麦克风，将除第n个频率点之外的其它频率点对应的频域系数置零，以得到第m个麦克风在第n个频率点的滤波系数，1≤n≤n。

在一些实施例中，合成模块被配置为将第m个麦克风在各频率点的滤波系数进行合成，以得到第m个麦克风的合成系数，将各麦克风的合成系数进行合成，以得到相应的波束形成系数。

在一些实施例中，所述响应约束包括，在声波入射角θ的主瓣区域内响应为第一指定值，在声波入射角θ的旁瓣区域内响应为第二指定值，第一指定值大于第二指定值。

在一些实施例中，所述第一指定值为1，所述第二指定值为0。

在一些实施例中，给每个频带的中心频率在时域施加的响应约束与相应频带的中心频率、声波入射角θ和对应的时域系数相关联。

根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种波束形成装置，包括：存储器，被配置为存储指令；处理器，耦合到存储器，处理器被配置为基于存储器存储的指令执行实现如上述任一实施例涉及的方法。

根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其中，计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如上述任一实施例涉及的方法。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开一个实施例的波束形成方法的示例性流程图；

图2为本公开一个实施例的波束形成装置的示例性框图；

图3为本公开另一个实施例的波束形成装置的示例性框图；

图4为本公开一个实施例的波束形成方案的示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本公开一个实施例的波束形成方法的示例性流程图。在一些实施例中，本实施例的方法步骤可由波束形成装置执行。

在步骤101，将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带。

在一些实施例中，每个频带的中心频率为：

其中，1≤n≤n，n为频带个数，fs为采样频率。例如，采样频率为16000hz。由于人耳能够感知的音频范围有限，因此这里可只考虑前100个频带，即频率范围为0～3093hz。

在步骤102，对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数。

在一些实施例中，给每个频带的中心频率在时域施加的响应约束与相应频带的中心频率、声波入射角θ和对应的时域系数相关联。

例如，设麦克风的位置为pm＝[xm,ym]^t，0≤m≤m-1，m为麦克风数量，声音入射角为θ，则定义在频率fn处的波束响应为：

其中j为滤波器抽头系数，例如j为200。是要设计的系数，其中上标t表征时域，即该系数为实数。ts为采样周期。τm(θ)表示以阵列原点为参考，声波到第m个麦克风的时间延迟。相应的计算公式如下：

其中v是声波在空气中的传播速度，v＝340米/秒。设

其中符号表示克罗内克乘积。由此，波束响应可表示为：

设主瓣宽度为θwidth(例如，主瓣宽度为30deg，当然也可根据需要进行调整)，将整个角度范围分成主瓣区域θm＝[θ-0.5θwidth,θ+0.5θwidth]和旁瓣区域θs＝θ-θm。

在一些实施例中，所期望的约束是：在声波入射角θ的主瓣区域内响应为第一指定值，在声波入射角θ的旁瓣区域内响应为第二指定值，第一指定值大于第二指定值。例如，第一指定值为1，第二指定值为0。由此归结为如下的二次规划问题：

其中α为均衡因子，例如可取0.01，当然可根据需要进行调节。

为了便于使用工具进行求解，可将上式进一步写为：

c^tw^t＝f(12)

其中c＝[re{s(fn,θ)},im{s(fn,θ)}]，f＝[10]^t。re{*}表示复数的实部，im{*}表示复数的虚部，上标h表示共轭转置。

由于对二次规划问题的求解是本领域技术人员所了解的，因此这里不展开描述。

在步骤103，将时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数。

在一些实施例中，将时域系数从时域转换到频域包括：将与第m个麦克风相关联的时域系数通过补零进行扩展，以得到第m个麦克风的扩展系数，其中第m个麦克风的扩展系数为n维向量，n为频带个数，1≤m≤m，m为麦克风总数。

由于n>j，因此在变换前需要对时域系数进行补零。例如，将与第m个麦克风相关联的时域系数通过补零进行扩展，以得到第m个麦克风的扩展系数wm,exp。

wm,exp＝[ωm,0,...,ωm,j-1,0,...,0]^t(14)

其中wm,exp为n维的列向量，表示第m个麦克风的扩展系数。接下来，利用下列公式：

wm,n＝fft(wm,exp)(15)

以得到第m个麦克风在第n个中心频率点处的频域系数wm,n。其中fft为快速傅里叶变换。

在步骤104，对频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数。

在一些实施例中，针对第m个麦克风，将除第n个频率点之外的其它频率点对应的频域系数置零，以得到第m个麦克风在第n个频率点的滤波系数，1≤n≤n。

例如，对于第m个麦克风在第n个频率点处的系数来说：

带通滤波后的系数为：

在步骤105，将滤波系数进行合成，以得到相应的波束形成系数。

在一些实施例中，将滤波系数进行合成包括：将第m个麦克风在各频率点的滤波系数进行合成，以得到第m个麦克风的合成系数，将各麦克风的合成系数进行合成，以得到相应的波束形成系数。

例如，在计算完每个频率点的系数后，可按如下逻辑进行系数合成。例如，对于第m个麦克风，合成结果为：

其中为第m个麦克风对第n个频率点的系数。由此，最终得到的波束形成系数为：

在步骤106，利用波束形成系数进行波束形成处理。

由于利用波束形成系数进行相应的波束形成处理是本领域技术人员所了解的，因此这里不展开描述。

在本公开上述实施例提供的波束形成方法中，通过将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带，对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数，将时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数，对频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数，将滤波系数进行合成以得到相应的波束形成系数，利用波束形成系数进行波束形成处理。本公开对麦克风阵列的数目没有要求，并且适用于不同阵型的麦克风阵列。例如，本公开可适用于圆型麦克风阵列，也可适用于诸如线性麦克风阵列的其它阵列。

图2为本公开一个实施例的波束形成装置的示例性流程图。如图2所示，波束形成装置包括频带划分模块21、时域系数处理模块22、转换模块23、滤波模块24、合成模块25和波束形成处理模块26。

频带划分模块21被配置为将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带。

在一些实施例中，每个频带的中心频率如上述公式(1)所示。

时域系数处理模块22被配置为对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数。

在一些实施例中，给每个频带的中心频率在时域施加的响应约束与相应频带的中心频率、声波入射角θ和对应的时域系数相关联。

在一些实施例中，所期望的约束是：在声波入射角θ的主瓣区域内响应为第一指定值，在声波入射角θ的旁瓣区域内响应为第二指定值，第一指定值大于第二指定值。例如，第一指定值为1，第二指定值为0。例如，可将上述约束归结为如上述公式(9)、(10)所描述的二次规划问题。由于对二次规划问题的求解是本领域技术人员所了解的，因此这里不展开描述。

转换模块23被配置为将时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数。

在一些实施例中，转换模块23被配置为将与第m个麦克风相关联的时域系数通过补零进行扩展，以得到第m个麦克风的扩展系数，其中第m个麦克风的扩展系数为n维向量，n为频带个数，1≤m≤m，m为麦克风总数；将第m个麦克风的扩展系数从时域转换到频域，以得到第m个麦克风在相应频带的中心频率点的频域系数。

例如，可按照上述公式(14)对与第m个麦克风相关联的时域系数通过补零进行扩展，可按照上述公式(15)进行时频域转换。

滤波模块24被配置为对频域系数进行带通滤波，对频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数。

在一些实施例中，滤波模块24被配置为针对第m个麦克风，将除第n个频率点之外的其它频率点对应的频域系数置零，以得到第m个麦克风在第n个频率点的滤波系数，1≤n≤n。

例如，可采用上述公式(16)、(17)对第m个麦克风在第n个频率点处的系数进行带通滤波。

合成模块25被配置为将滤波系数进行合成，以得到相应的波束形成系数。

在一些实施例中，合成模块25被配置为将第m个麦克风在各频率点的滤波系数进行合成，以得到第m个麦克风的合成系数，将各麦克风的合成系数进行合成，以得到相应的波束形成系数。

例如，可按照上述公式(18)、(19)进行系数合成，以得到相应的波束形成系数。

波束形成处理模块26被配置为利用波束形成系数进行波束形成处理。

由于利用波束形成系数进行相应的波束形成处理是本领域技术人员所了解的，因此这里不展开描述。

在本公开上述实施例提供的波束形成装置中，通过将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带，对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数，将时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数，对频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数，将滤波系数进行合成以得到相应的波束形成系数，利用波束形成系数进行波束形成处理。本公开对麦克风阵列的数目没有要求，并且适用于不同阵型的麦克风阵列。例如，本公开可适用于圆型麦克风阵列，也可适用于诸如线性麦克风阵列的其它阵列。

图3为本公开另一个实施例的波束形成装置的示例性框图。如图3所示，波束形成装置包括存储器31和处理器32。

存储器31用于存储指令，处理器32耦合到存储器31，处理器32被配置为基于存储器存储的指令执行实现如图1中任一实施例涉及的方法。

如图3所示，该波束形成装置还包括通信接口33，用于与其它设备进行信息交互。同时，该装置还包括总线34，处理器32、通信接口33、以及存储器31通过总线34完成相互间的通信。

存储器31可以包含高速ram存储器，也可还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器31也可以是存储器阵列。存储器31还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。

此外，处理器32可以是一个中央处理器cpu，或者可以是专用集成电路asic，或者是被配置成实施本公开实施例的一个或多个集成电路。

本公开同时还涉及一种计算机可读存储介质，其中计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如图1中任一实施例涉及的方法。

图4为本公开一个实施例的波束形成方案的示意图。如图4所示，通过将指定频率范围进行划分，以得到预定数量个频带。对每个频带的中心频率在时域施加相同的响应约束，以得到相应的时域系数。通过fft将时域系数从时域转换到频域，以得到相应的频域系数，然后在频域对频域系数进行带通滤波，以便仅保留与对应中心频率点关联的系数，从而得到相应的滤波系数。最后将滤波系数进行合成以得到相应的波束形成系数，从而得到整个感兴趣频率范围内的波束形成系数。接下来利用该波束形成系数进行波束形成处理。由此可适用于不同阵型的麦克风阵列，例如线性阵列等。

在一些实施例中，在上面所描述的功能单元模块可以实现为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，简称：plc)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称：dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称：asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，简称：fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。