基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种基于麦克风阵列实现语音信号的方 位角和俯仰角测量的方法，用于解决宽带语音信号的实时测向问题，可应用于通信或雷达 等基于阵列天线实现辐射源测向等领域。
【背景技术】
[0002] 麦克风阵列是由按照特定位置摆放的一组麦克风组成的声音信号采集装置，根据 实际应用，麦克风阵列信号处理主要解决的是从阵列的输出结果中提取出有用信号或用于 进行参数估计。麦克风阵列测向作为语音信号处理的重要研宄内容得到了广泛的关注。
[0003] 基于到达时间差进行声源定位的基本原理是利用了声源到达不同阵元的距离差 与声源相对于阵列的方向角有关，因此通常也称为距离差测向方法。由于麦克风阵列一般 是由多个阵元构成，因此如何利用所有阵元的测量信息以提高声源的角度估计性能成为当 前麦克风阵列研宄的重点。现有技术中，利用干涉仪测量不同阵元接收信号之间的相位差， 再通过解模糊和相位差解算得到相应信号的入射角度。由于语音信号为宽带信号，因此很 难直接利用传统的窄带相位干涉仪方法进行语音信号的角度估计，如果利用空间谱估计方 法，必须变换到频域，并进行子带处理，不仅实现复杂、运算量大，而且无法保证全频段处理 的一致性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可有效提高实时性和精确性的麦克风阵列的测向方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0006] 基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，包括以下步骤：由N个阵元组成的麦克 风阵列接收空间远场声源信号，N彡3，
[0007] 步骤一、获取麦克风阵列的采样数据；
[0008] 步骤二、获取声源信号到达麦克风阵列各阵元的到达时延差；
[0009] 步骤三、构造麦克风阵列的距离差矢量r ;
[0010] 麦克风阵列的距离差矢量r = [Ar2，…，Ari,…，Δγν]τ，其中，Ar i= c τ i为声 源信号到达麦克风阵列第i个阵元的距离差，τ i为声源信号到达第i个阵元的到达时延 差，c为声音传播速度，i = 2,…，N ;
[0011] 步骤四、构造麦克风阵列的位置矩阵A ;
【主权项】
1.基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，其特征在于，包括W下步骤：由N个阵元组 成的麦克风阵列接收空间远场声源信号，N> 3， 步骤一、获取麦克风阵列的采样数据； 步骤二、获取声源信号到达麦克风阵列各阵元的到达时延差； 步骤S、构造麦克风阵列的距离差矢量r; 麦克风阵列的距离差矢量r= [Ar2,…，Ar。…，ArjT，其中，Ar;=CTi为声源信 号到达麦克风阵列第i个阵元的距离差，Ti为声源信号到达第i个阵元的到达时延差，C 为声音传播速度，i= 2,…，N; 步骤四、构造麦克风阵列的位置矩阵A;
其中，Xn、y。、Zn为第n个阵元的位置坐标，n=1，…，N; 声源信号的单位方向矢量0 = |^cospcos0，cospsm伏sin口f，声源信号的单位方向 矢量与距离差矢量之间的关系为；A0 =r，其中，0为声源信号的方位角为声源信号的 俯仰角，[? ]T表示转置操作； 步骤五、判断麦克风阵列的阵元是否位于同一平面，如果是则执行步骤六，否则执行步 骤走； 步骤六、采用最小二乘法计算声源信号的二维方向矢量，从而得到声源信号的方位角 估计值和俯仰角估计值； 麦克风阵列的阵元位于同一平面时，位置矩阵A和声源信号的单位方向矢量0分别退 化为二维位置矩阵A,和二维方向矢量0 2,根据巧计算声源信号的方位角 估计值0和俯仰角估计值(5;
式中的为二维方向矢量0 2的第一项元素，y2为二维方向矢量0 2的第二项元素； 步骤走、采用约束最小二乘法计算声源信号的单位方向矢量估计值0，从而得到声源 信号的方位角估计值和俯仰角估计值； 根据0 = (Af乂 +义I)-1A^r，计算声源信号的方位角估计值^和俯仰角估计值^ .
式中的y1为单位方向矢量估计值0的第一项元素，y2为单位方向矢量估计值0的第 二项元素，y3为单位方向矢量估计值0的第S项元素，I为单位矩阵，A为估计参数。
2. 根据权利要求1所述的基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，其特征在于：所述 步骤5中通过检查位置矩阵A的每一列是否为零来判断阵元是否位于同一平面，如有一列 为零，则说明麦克风阵列的阵元分布在同一平面上，否则说明麦克风阵列的阵元不是分布 在同一平面上。
3. 根据权利要求1所述的基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，其特征在于：所述 步骤5中通过检查位置矩阵A是否列满秩来判断阵元是否位于同一平面，如位置矩阵A不 满足列满秩，则说明麦克风阵列的阵元分布在同一平面上，否则说明麦克风阵列的阵元不 是分布在同一平面上。
4. 根据权利要求1所述的基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，其特征在于：所述 估计参数^通过方程rTA(ATA+Mr2ATr= 1求解，计算步骤如下； 对矩阵ata进行特征分解，即
其中， A=diag(丫。丫2, 丫3)为特征值矩阵，U= [Ui，U2，U3]为之对应的特征矢量矩阵，Ndim为位置矩阵A的列数，Ndim= 3,Uk为特征值丫k对应的特征矢量，k= 1，2, 3,（ ?）《表示转 置复共辆操作； 根据
，得到3k= PkQk； 估计参数^通过多项式方程〇日^6+(}日^5+〇4^4+〇3^ 3+〇2^2+(31^+(3。=0进行求解，多 项式方程中的系数计算公式如下：
利用多项式求根算法，根据w上系数值求得方程的根，将其中模值最小的根作为所求 的估计参数入。
【专利摘要】基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，包括以下步骤：由N个阵元组成的麦克风阵列接收空间远场声源信号，获取麦克风阵列的采样数据；获取声源信号到达麦克风阵列各阵元的到达时延差；构造麦克风阵列的距离差矢量；构造麦克风阵列的位置矩阵；判断麦克风阵列的阵元是否位于同一平面，如果是则采用最小二乘方法计算声源信号的二维方向矢量，从而得到声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值；否则采用约束最小二乘方法计算声源信号的单位方向矢量估计值，从而得到声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值。本发明将声源信号的到达角求解转化为求解相应的方向矢量，解决了宽带声源信号的角度估计问题，降低了角度估计的难度，并提高了角度估计的精确性。
【IPC分类】G01S3-80
【公开号】CN104793177
【申请号】CN201510169494
【发明人】刘聪锋, 杨洁, 张煜, 朱燕, 李平, 王兰美
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月10日