计算上有效的宽带滤波和相加阵列聚焦的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种确定包括多个传感器的传感器阵列的聚焦输出信号的方法，每个传感器可操作为输出响应于被测量的量的传感器输出信号，聚焦输出信号表示所计算的在聚焦点处的量；该方法包括：从每个传感器中接收相应测量的传感器输出信号；通过执行关于所测量的传感器信号的聚焦计算来计算聚焦的输出信号；其中，该方法进一步包括确定一组预定网格点的网格点子组，每个网格点具有与其相关的至少一个预先计算的滤波器参数；并且其中，计算聚焦输出信号包括执行关于网格点子组的插值，以便获得插值的聚焦输出信号。
【专利说明】计算上有效的宽带滤波和相加阵列聚焦
【技术领域】
[0001]本发明涉及阵列信号处理，例如，声学信号的宽带波束形成。
【背景技术】
[0002]宽带波束形成是一种被广泛应用于定向接收诸如声学或无线电波的技术。已经在例如声源定位、声纳、雷达、无线通信等的背景下描述了波束形成技术。通常，在这种系统中，以使所产生的测量系统对来自特定方向的波特别敏感的方式放大和延迟传感器的信号。在这种测量系统中，能够将传感器阵列的敏感性引向特定方向-称为“波束形成”的处理。当同时记录所有信道时，这种系统仅需要非常少量的时间来用于单个测量。
[0003]例如，很多噪声消除问题涉及在复杂环境(诸如，汽车或飞机内部)中定位一个或多个噪声源。近年来，已经可以同时使用多个信道来执行测量。如今，存在具有安装在网格中的大量麦克风(例如，64或128)的测量系统。在其他测量系统中，麦克风通常安装在不规则的配置中。
[0004]由于麦克风(或其他传感器)和数据/信号采集硬件的成本，所以通常希望在波束形成系统中尽可能较少地使用传感器。另一方面，对系统的频率范围和空间精度的要求都趋向于增加在阵列中需要的传感器的数量。
[0005]在所谓的滤波和相加(Fi lter-And-Sum) (FAS)波束形成中，通过将单独的滤波器应用于传感器信号并随后将滤波的信号相加来计算在给定位置处的输出时间信号。Shefeng Yan 等人的文章 “Convex optimization based time-domain broadbandbeamforming with sidelobe control，，(J.Acoust.Soc.Am.121 (I)，2007，I)描述了一种基于FIR滤波器的方法和一种用于例如为最小化波束形成器的旁瓣电平而优化FIR滤波器的方法。
[0006]优化的宽带滤波和相加(FAS)波束形成能够相对于延迟和相加(Delay-And-Sum)(DAS)波束形成大幅地减少旁瓣电平，并且对于球形阵列-球谐波束形成(SHB)的情况，例如，参照Shefeng Yan等人(同前)和Shefeng Yan等人的文章“Optimal ModalBeamforming for Spherical Microphone Arrays，，(IEEE Transactions on Audio, Speechand Language Processing, Vol.19, N0.2, 2011, 2, 361-371)。
[0007]然而，如本文所述，计算最佳滤波器参数是非常繁重的计算任务。尤其地，在其中为多个聚焦点以及为大型传感器阵列执行波束形成操作的应用中，用于执行先有技术的优化宽带FAS波束形成的计算资源可能被禁止。而且，由Shefeng Yan等人(J.Acoust.Soc.Am，同前)概述的方法需要基于来自每个特定的测量中的信号的协方差矩阵进行最优化，引入与最小方差(或Capon)波束形成器的特性相似的特性:在由对两个源的测量所产生的输出并非分别对这两个源的每一个的测量所产生的的输出之和的意义上，输出并非源的线性函数。
【发明内容】
[0008]本文公开了一种确定包括多个传感器的传感器阵列的聚焦输出信号的方法,每个传感器可操作为输出响应于被测量的量的传感器输出信号，聚焦输出信号表示所计算的在聚焦点处的量。该方法的实施方式包括:
[0009]-从每个传感器中接收相应测量的传感器输出信号；
[0010]-通过执行关于所测量的传感器信号的聚焦计算，来计算聚焦输出信号。
[0011]聚焦输出信号可因此被视为表示为相应的一个传感器计算的多个被滤波的传感器信号的组合(例如，求和或其他线性组合)；每个被滤波的传感器信号因此可表示通过与相应的传感器相关联的滤波器滤波的来自各个传感器的所测量的传感器信号，其中，从相应的传感器中接收测量的传感器信号，滤波器取决于依赖聚焦点的至少一个滤波器参数。
[0012]发明人已经认识到，通过定义跨越其中利用特定阵列执行聚焦计算的空间中的区域的聚焦点网格，利用相当低的计算资源便可获得具有最佳滤波器的波束形成和其他阵列聚焦技术(例如，声全息技术)的好处。由此定义的点也被称为网格点。为这些预定义的网格点的每一个，计算一组最佳滤波器参数，并且预先计算的滤波器参数可存储在与传感器阵列相关联的滤波器库(例如，文件、一组文件或数据库)中。例如，这种滤波器库可与阵列一起设置在合适的存储介质上。当已经进行了测量并且执行了在任意聚焦点r处的聚焦计算时，则随后识别例如作为周围最近的网格点的预定义的网格点子组，并且执行关于所选择的网格点子组的插值。在某些实施方式中，为这些网格点中的每一个执行聚焦计算，并且通过在来自周围网格点的聚焦输出值之间的插值逼近在聚焦点处的聚焦输出。在替代性实施方式中，对所识别的网格点子组的预先计算的滤波器参数插值，并且使用所产生的插值的滤波器参数来执行聚焦计算。因此，插值步骤和某些或所有聚焦计算步骤的顺序可互换。
[0013]因此，本文中公开的方法的实施方式进一步包括:确定一组预定网格点的网格点子组，每个网格点具有与其相关的至少一个预先计算的滤波器参数；并且为任意的聚焦点计算聚焦输出信号包括执行关于网格点子组的插值，以便获得插值的聚焦输出信号。尤其地，计算作为插值的聚焦输出信号的聚焦输出信号可包括将一个或多个辅助滤波器应用于相应测量的传感器输出信号的每一个；一个或多个辅助滤波器中的每一个与从中接收相应测量的传感器信号的相应的传感器相关联，并且一个或多个辅助滤波器的每一个取决于至少一个预先计算的滤波器参数。因此，对于与其相关联的每个传感器，每个网格点可具有用于与其相关联的每个传感器的至少一个预先计算的滤波器参数，即，每个网格点可将其与多个预先计算的滤波器参数相关联，每个预先计算的滤波器参数与一个传感器相关联。
[0014]本文中公开的方法的实施方式可应用于不同类型的阵列聚焦应用(诸如，波束形成和声全息技术)或者计算在期望的聚焦点处的来自不同传感器位置的贡献的类似应用中。在波束形成的情况下，聚焦输出信号可被称为波束形成的输出信号；它可表示在聚焦点处的声源对在传感器阵列的位置(例如，在传感器阵列的中心)处的被测量的量(例如，声压)的贡献。在这种实施方式中，聚焦计算因此是波束形成计算。
[0015]在声全息技术的情况下，聚焦输出信号表示在聚焦点处的量(例如，声压、粒子速度或不同的声学量)(对聚焦点处的量的估计)。在该情况下，不同聚焦点的输出信号可被用于重构(或“后向传播”)在期望区域(例如，物体的表面或体积)中的声场。
[0016]因此，在某些实施方式中，聚焦计算是波束形成计算；并且聚焦计算包括确定聚焦点对在传感器阵列的阵列位置处的声学量(例如，声压)的贡献的估计量。在替代性实施方式中，聚焦计算包括确定对在聚焦点处的声场的参数的估计。因此，在这种实施方式中，聚焦输出信号表示重构的声学量。通常，聚焦计算包括基于来自传感器阵列的传感器的测量的传感器信来号计算在聚焦点处的物理量。在某些实施方式中，聚焦计算是包括应用滤波器以获得被滤波的信号以及求和(或其他线性组合)以获得所产生的聚焦信号的滤波和相加计算。因此，在某些实施方式中，术语阵列聚焦旨在表示用于通过滤波和相加运算来估计在聚焦点处的量的处理。
[0017]因此，在某些实施方式中，术语聚焦计算是指滤波和相加计算，并且聚焦的输出信号表示滤波和相加计算的结果。滤波和相加计算包括将各个滤波器应用于来自各个传感器的传感器信号以及将被滤波的信号求和。
[0018]在某些实施方式中，计算聚焦输出信号包括:
[0019]-通过将各个辅助滤波器应用于所测量的传感器输出信号来为每个传感器计算多个辅助滤波传感器信号，每个辅助滤波器与从中接收测量的传感器信号的相应的传感器相关联，并且每个辅助滤波器取决于至少一个预先计算的滤波器参数；每个辅助滤波器因此与网格点子组中的一个相关联；
[0020]-为每个网格点组合为相应的传感器计算的多个辅助滤波传感器信号，以获得辅助聚焦输出信号，并且对为相应的网格点计算的辅助聚焦输出信号进行插值以获得所述插值的聚焦输出信号。
[0021]在某些实施方式中，计算聚焦输出信号包括:
[0022]-通过将各个辅助滤波器应用于所测量的传感器输出信号来为每个传感器计算多个辅助滤波传感器信号，每个辅助滤波器与从中接收测量的传感器信号的相应的传感器相关联，并且每个辅助滤波器取决于至少一个预先计算的滤波器参数；而且，每个辅助滤波器与网格点子组中的一个相关联；
[0023]-为每个传感器插值为各个网格点计算的多个辅助滤波传感器信号，以获得插值的滤波传感器信号，并且组合为各个传感器计算的插值的传感器信号，以获得所述插值的聚焦输出信号。
[0024]在其他实施方式中，计算聚焦输出信号包括:
[0025]-为每个传感器从与确定的网格点子组的相应一个相关联的预先计算的滤波器参数中计算至少一个插值的滤波器参数；
[0026]-通过将各个插值的滤波器应用于所测量的传感器输出信号来为每个传感器计算插值的滤波传感器信号；以及
[0027]-组合为各个传感器计算的插值的滤波传感器信号，以获得插值的聚焦输出信号。
[0028]将理解，可在不同的域(例如，时域和/或频域)中执行聚焦操作和/或插值操作。
[0029]在相对于应用的阵列的远场区域中，波束形成器没有距离(深度)分辨率，因此，仅可获得源的方向辨别。在中间距离，可实现某种程度的距离分辨率，因此在此可期望在3D中的特定点处的聚焦，例如，为了获得3D源分布图。本文中描述的方法的实施方式为聚焦点的网格使用预先计算的滤波器。如果波束形成器旨在仅用于远场区域内，那么仅需要方向(2D)网格，并且将进行方向上的聚焦。否则，可能需要3D网格，并且在特定的点上进行聚焦。相似的考虑适用于声全息技术。然而，为了本描述的目的，术语方向聚焦和点聚焦将被互换使用，并且聚焦方向也由在相关方向的位置向量表示。因此，本文中使用的术语网格点和聚焦点旨在包括在3D空间中的位置和在3D空间中的方向，例如，由在单位球面上的位置表示。因此，可由相对于合适的坐标系的三维空间坐标或者可由定义位于3D空间中的二维表面(例如，球面)上的位置的两维空间坐标来定义每个网格点和每个聚焦点。
[0030]传感器输出信号可为声学信号(即，表不被测量的声音)，例如，噪音、可听见的声音、不可听见的声音(诸如，超音波或次声波等)或其组合。在其他实施方式中，传感器输出信号可表示任何其他声学或无线电信号，例如，声纳信号、雷达信号、无线通信信号等。
[0031]所测量的量可为声学量，例如，声压、声压梯度、粒子速度等。因此，每个传感器可为任何合适的听觉测量装置，例如，麦克风、水诊器、压力梯度换能器、粒子速度换能器、用于无线通信系统的接收器/换能器、雷达和/或声纳等或其组合。传感器阵列包括多个传感器，例如，布置在规则或不规则的网格(例如，二维或三维网格)中的一组传感器。
[0032]阵列的传感器可被布置在一组测量位置的相应一个上。这组测量位置可被布置在一个或多个测量平面内，例如，在单个平面内或者在两个或多个平行平面内。在每个平面内，测量位置可以不规则的图案或任意其它合适的方式布置在规则的网格上。而且，本文中描述的方法还可应用于非平面测量几何中，即，测量位置不是位于一个或多个平行平面内而是例如位于弯曲的表面上的布置。例如，本文中描述的方法可应用于球形阵列几何中。
[0033]术语插值旨在表示用于至少近似地计算在离散的一组已知的数据点附近的新数据点的任何合适的处理。在本描述的情况下，术语插值旨在表示从已知的滤波器参数计算与聚焦点相关联的聚焦输出信号，每个滤波器参数与离散的一组(子组)网格点相关联，其中，聚焦点在网格点的预定附近内。因此，选择网格点子组可包括选择在聚焦点附近的网格点，例如，选择在聚焦点的预定附近的所有网格点，或者选择最靠近聚焦点的预定数量的网格点。然而，将理解，可选择用于选择被用于执行插值的网格点子组的其他方案。
[0034]插值可为分段常数插值、线性插值、多项式插值、样条插值或任何其他合适的插值方法。插值可在角度和/或线性坐标(1D、2D或3D)中。将进一步理解，在某些实施方式中，插值和组合操作的顺序可互换。尤其地，这适用于其中插值是在每个网格点上计算的值的线性组合并且其中产生聚焦输出信号的多个滤波传感器信号的组合是所计算的滤波传感器信号的线性组合(例如，所计算的滤波传感器信号之和)的实施方式。
[0035]在某些实施方式中，可通过应用与各个网格点相关联的各个预先计算的滤波器参数来计算用于插值(以及用于每个传感器)的每个网格点的辅助滤波信号。随后，对于每个传感器，所选择的聚焦点需要的滤波传感器信号可被计算为所计算的辅助滤波传感器信号的插值。可替代地，可为每个网格点从该网格点和各个传感器的辅助滤波传感器信号中计算辅助聚焦输出信号，并且随后，可对各个网格点的辅助聚焦输出信号进行插值，以获得插值的聚焦输出信号。因此，可按照任何顺序执行对各个传感器的辅助滤波传感器信号的求和(或者另外组合)和对不同的网格点的插值，特别是当插值被计算为与各个网格点相关联的计算值的线性组合时。在例如为了获得波束形成图或重构的声场图而执行关于多个聚焦点的聚焦(例如，波束形成)的实施方式中，可按照以下方式进一步加快处理:首先，可横跨在获得波束形成或重构图中涉及的所有聚焦点上的插值所需要的至少网格点子组执行聚焦计算，即，通过应用与所述网格点子组的每一个相关联的各个预先计算的滤波器参数，以便计算各个辅助滤波信号，每个辅助滤波信号与一个网格点相关并且与一个传感器相关。对于每个网格点，计算多个相应的辅助滤波信号，为每个传感器计算至少一个辅助滤波信号。随后，可通过对所计算的辅助滤波信号的相应一个进行插值来计算用于每个期望的聚焦点的滤波传感器信号。可替代地，可通过插值从各个辅助滤波信号中计算的各个聚焦输出信号来计算用于每个期望的聚焦点的插值的聚焦输出信号。
[0036]在被滤波的传感器输出信号是(至少近似为)滤波器参数的线性函数时，例如与FIR滤波器的情况一样，可通过下列步骤计算与期望的聚焦点相关联的被滤波的传感器输出信号:首先通过从与网格点的相应一个相关联的预先计算的滤波器参数计算插值的滤波器参数，插值的滤波器参数定义插值的滤波器，并且随后通过将插值的滤波器应用于传感器输出信号来计算被滤波的传感器输出。可随后通过组合来自各个传感器的滤波传感器输出来计算插值的聚焦输出信号。在该实施方式中，在某些情况下，聚焦计算的数量将减少，从而降低阵列聚焦(例如，波束形成)操作的计算成本。
[0037]每个网格点可将其与用于每个传感器的至少一个预先计算的滤波器参数相关联。可通过最小化聚焦输出信号的功率同时要求在输出信号中完整地保留来自网格点的贡献来为给定的网格点计算预先计算的滤波器参数。
[0038]在某些实施方式中，可通过最小化最大旁瓣电平来计算与第一网格点相关联的每组预先计算的滤波器参数，最大的旁瓣电平表示来自不同于第一网格点的一组其他位置的并且位于一组预定的频率处的干扰抑制水平(level，电平)。已经认识到，该实施方式降低了在干扰源的某些位置处以及在某些频率处的高旁瓣灵敏度峰值的风险。
[0039]通常，每个网格点可具有与其相关联的一组预先计算的滤波器参数。
[0040]在某些实施方式中，通过下列步骤计算与第一网格点相关联的每个预先计算的滤波器参数组:
[0041]-通过最小化最大旁瓣电平来为一组预定频率中的每一个确定一组复杂的传感器权重，最大的旁瓣电平表示来自不同于第一网格点的一组其他位置的并且位于所述频率处的干扰的抑制水平(level，电平)，每个传感器权重与各个传感器相关；
[0042]-通过将由所述预先计算的滤波器参数定义/建立的频率响应于由所述确定的传感器权重的子组构成的频率响应向量相配，来为每个传感器确定至少一个预先计算的滤波器参数，所述子组的传感器权重与特定传感器的各个频率相关联。已经证明，该实施方式大幅减少了用于计算预先计算的滤波器参数的所需要的计算资源，同时允许在不同的频率处实现截然不同的旁瓣抑制电平。
[0043]网格点可被选择为任何合适的规则的或不规则的点的网格，例如，二维或三维网格。网格点可布置在一个或多个平面中，例如，在单个平面中或在两个或多个平行平面中。在每个平面内，网格点可以不规则的图案或任何合适的方式布置在规则的网格上。可替代地，网格点可分布在一个或多个弯曲的表面(例如，具有相应半径的一个或多个球面)中。在某些实施方式中，网格点被布置为在相邻的网格点之间的距离小于所使用的波束形成器的本地波束宽度。
[0044]应注意，上述和以下描述的方法的特征可至少部分以软件或固件来实施并且在数据处理装置或由程序代码方法(诸如，计算机可执行的指令)的执行引起的其他处理器件上执行。在此处和下文中，术语处理器件包括适当地适配于执行以上功能的任何电路和/或装置。尤其地，以上术语包括通用或专用可编程微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、专用电子电路等或其组合。
[0045]可以不同的方式实施包括在上面和下面描述的方法、系统、装置和产品器件的本发明的实施方式，其每一个产生结合首次提及的方法描述的一个或多个好处和优点，并且每一个具有与结合首次提及的方法描述的和/或在从属权利要求中公开的实施方式对应的一个或多个实施方式。
[0046]尤其地，用于执行阵列聚焦(例如，波束形成)计算的处理设备的实施方式可包括:接口，用于从传感器阵列的各个传感器中接收响应于被测量的量的一组传感器输出信号；以及处理单元，被配置为执行在本文中定义的方法的实施方式的步骤，其中，处理单元包括用于存储一组预先计算的滤波器参数的存储介质。
[0047]一种阵列聚焦(例如，波束形成器或全息)系统可包括:如在上面和下面定义的处理设备；以及一组传感器，用于在一组测量位置处测量被测量的量，并且在通信连接中可连接至该设备，以便将被测量的第一声学量转发给处理设备。例如，这种系统可被用于在3D空间中定位声音(例如，噪声)源，例如，用于在围绕物中定位声源。
[0048]将理解，预先计算的滤波器参数可通过计算机程序生成，该计算机程序可与用于执行阵列聚焦(例如，波束形成)处理的计算机程序分开或者包含在该计算机程序内(例如，作为该计算机程序的一部分或位于一个或多个单独的文件内)或者作为其组合。例如，预先计算的滤波器参数可通过计算机程序或安装程序生成并且存储在数据库或利用传感器阵列递送的其他存储介质内。
[0049]一种计算机程序可包括程序代码方法，程序代码方法被适配为:当在数据处理系统上执行程序代码方法时，使数据处理系统执行在上面和下面公开的方法的步骤。计算机程序可存储在计算机可读存储介质上或者体现为数据信号。存储介质可包括用于存储数据的任何合适的电路或装置，诸如，RAM、ROM、EPROM、EEPR0M、闪存、诸如CD ROM、DVD、硬盘等的磁或光学存储装置。
[0050]一种计算机可读存储介质具有存储在其上的一组预先计算的滤波器参数，每个滤波器参数与一组网格点中的一个相关联，并且当执行本文公开的方法的实施方式的步骤时，每个滤波器参数被本文定义的处理设备使用。
[0051]根据另一个一般方面，本文中公开的是一种确定包括多个传感器的传感器阵列的聚焦输出信号的方法，每个传感器可操作为输出响应于被测量的量的传感器输出信号，聚焦输出信号表示在所计算的在聚焦点处的量。该方法的实施方式包括:
[0052]-从每个传感器中接收相应测量的传感器输出信号；
[0053]-从接收的被测量的传感器输出信号的每一个中计算各个被滤波的传感器信号，被滤波的传感器信号表示由与相应的传感器相关联的滤波器滤波的被测量的传感器信号，其中，从相应的传感器中接收被测量的传感器信号，滤波器取决于依赖聚焦点的至少一个滤波器参数；
[0054]-组合多个所计算的滤波传感器信号，以获得聚焦输出信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]从下面参照附图描述的实施方式中，以上和其他方面将变得显而易并且被阐明，其中:
[0056]图1示出了波束形成器系统的示意性方框图；
[0057]图2示出了计算传感器阵列的波束形成的输出信号的处理的流程图；
[0058]图3示出了在平面阵列中具有麦克风的测量设置。
[0059]贯穿附图，在可行的情况下，相同的附图标记表示相同或相应的元件、特征或部件。
【具体实施方式】
[0060]在下文中，将参照波束形成系统更加详细地描述本发明的方面和实施方式。然而，将理解，本文中描述的方法、产品和系统的实施方式还可适用于声全息技术。
[0061]图1示出了用于执行声波的波束形成的波束形成器系统的示意性方框图。该系统包括一组声学接收器108和连接至声学接收器的分析单元103。
[0062]在下文中，声学接收器108将还被称为换能器。然而，将理解，声学接收器可为麦克风、水诊器或用于测量声学特性(诸如，声压、声压梯度、粒子速度或其他线性量)的任何其他合适的传感器。在图1的实施方式中，换能器108被实施为其中换能器108被布置成规则的网格(例如，一维、二维或三维网格)的换能器的阵列102。换能器可被布置在规则的网格或不规则的几何体上。在波束形成应用中，不规则的几何体表现得更好，并且因此被通常使用。可根据围绕物(在该围绕物内，定位声源)的尺寸和几何形状、感兴趣的频率范围、期望的空间分辨率和/或其他设计参数来选择换能器的数量和阵列的几何形状(例如，换能器间的间距)。
[0063]换能器阵列102连接至分析单元103，以便换能器108可将测量的信号例如经由线或无线信号连接转发给分析单元。由换能器测量的信号也被称为传感器信号。
[0064]分析单元103包括用于接收和处理来自换能器阵列102的所测量的信号的接口电路104、与接口电路104进行数据通信的处理单元105、存储介质112以及与处理单元105进行数据通信的输出单元106。即使在图1中示为单个单元，将理解，分析单元103也可物理地分成两个单独的装置(例如，采集前端和计算机)或者甚至两个以上的装置。同样，将理解，相对于分析单元的不同子块描述的功能可分成可替代的或另外的功能或硬件单元/模块。
[0065]接口电路包括信号处理电路,信号处理电路适合于从换能器108中接收输出信号并且处理所接收的信号以用于处理单元105的后续分析。接口单元执行同步时间数据采集，并且随后可通过处理单元105来进行所有进一步的处理，包括通常使用FFT数据至频域的转换。接口电路104可包括一个或多个以下部件:用于放大所接收的信号的一个或多个前置放大器、用于将所接收的信号转换成数字信号的一个或多个模数(A/D)转换器、一个或多个滤波器(例如，带宽滤波器)等。例如，接口电路可将作为每个换能器的频率函数的幅度和相位提供为输出数据。
[0066]处理单元105可为适当编程的微处理器、计算机的中央处理单元或者用于处理从接口电路104接收的信号的任何其他合适的装置(例如，ASIC、DSP、GPU等)。处理单元被适配于处理经由接口电路104接收的传感器信号，以便计算如本文所述的波束形成的输出信号。[0067]存储介质112可包括用于存储表示一组预先计算的滤波器参数的数据的任何合适的电路或装置，诸如，RAM、ROM、EPROM、EEPR0M、闪存、磁或光学存储装置(诸如CD ROM、DVD、硬盘等)。在图1中，存储介质被示为单独的但与处理单元通信连接。然而，将理解，存储介质112还可体现为处理单元105的一部分(例如，内部存储器)。
[0068]输出单元106可包括显示器或用于提供波束形成的信号的视觉表示(例如，关于不同聚焦点的波束形成的输出信号的图)的任何其他合适的装置或电路。合适的输出单元的实例包括打印机和/或打印机接口(用于提供打印的表示)。可替代地/另外，输出单元106可包括用于传递和/或存储表示波束形成的输出信号的数据的任何合适的电路或装置，例如，RAM、R0M、EPR0M、EEPR0M、闪存、磁或光学存储装置(诸如，CD ROM、DVD、硬盘)、有线或无线数据通信接口(例如，至计算机或诸如LAN、广域网和互联网的电信网络的接口)等。
[0069]分析单元103可被实施为适当编程的计算机，例如，包括合适的信号采集板或电路的PC。
[0070]在操作期间，换能器阵列102可位于在定位声源的周围的位置处或者绘制声源的位置处，例如，在包括发射声学辐射的声源的物体的表面附近或者在围绕物内部。可根据被分析的物体或环境的尺寸和几何复杂性、感兴趣的频率范围和期望的空间分辨率来选择换能器的数量、阵列的几何形状(例如，换能器间的间距)以及至可能的声源的距离。
[0071]阵列102的位置可通过例如位置检测装置来确定并且被馈送至分析单元103内。阵列102的换能器108可在其相应的位置处测量声压或另一种合适的声学量，并且所产生的传感器信号被发送至分析单元103。
[0072]例如，换能器阵列可为具有集成的位置检测装置的手持式阵列，从而允许在分布在物体周围的不同的可到达的位置处进行测量。另一种典型的应用可以是在车厢内部，其中，3D阵列网格可被用于能够识别在所有方向中的源，例如，可使用球面阵列或双层阵列(例如，包括8x8x2个传感器)。
[0073]分析单元103从通过换能器测量的信号中计算关于一个或多个聚焦点109和/或方向的波束形成的输出信号。分析单元可存储和/或输出波束形成的信号的表示，例如，作为方向和/或聚焦点的函数的在阵列位置处的声音强度或对声压的贡献的图。
[0074]将参照图2并继续参照图1来描述用于计算波束形成的输出信号的处理的实施方式。
[0075]通常，该处理的实施方式可计算在给定位置/方向r处的输出时间信号b(t，r)。例如，输出信号可为聚焦点/方向对传感器阵列(其中心)处的声压的贡献的估计量。如上所述，r可定义在3D中的位置或方向(例如，由在传感器阵列的中心或者另一个合适的坐标系的原点的周围的单位球面上的位置表示的)。FAS波束形成器可首先将单独的滤波器h应用于传感器信号pm(t)，m = 1，2，...，M，以获得被滤波的信号，然后将被滤波的信号相加:
[0076]
【权利要求】
1.一种确定包括多个传感器的传感器阵列的聚焦输出信号的方法，每个传感器可操作为输出响应于被测量的量的传感器输出信号，所述聚焦输出信号表示所计算的在聚焦点处的量；所述方法包括: -从每个所述传感器中接收相应测量的传感器输出信号； -通过执行关于所测量的传感器信号的聚焦计算，来计算所述聚焦输出信号； 其中，所述方法进一步包括确定一组预定网格点的网格点子组，每个网格点具有与其相关的至少一个预先计算的滤波器参数；并且其中，计算所述聚焦输出信号包括执行关于所述网格点子组的插值，以便获得插值的聚焦输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚焦输出信号表示多个被滤波的传感器信号的组合，每个被滤波的传感器信号表示通过滤波器滤波的所测量的传感器信号中的相应一个，所述滤波器与从中已接收相应的所测量的传感器信号的所述相应的传感器相关联，所述滤波器取决于依赖所述聚焦点的至少一个滤波器参数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算所述插值的聚焦输出信号包括将一个或多个辅助滤波器应用于相应的所测量的传感器输出信号中的每一个；所述一个或多个辅助滤波器中的每一个与从中已接收相应的所测量的传感器信号的所述相应的传感器相关联，并且所述一个或多个辅助滤波器中的每一个取决于至少一个所述预先计算的滤波器参数。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述插值是线性插值。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述插值包括在角度坐标中的插值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，计算所述聚焦输出信号包括: -通过将相应的辅助滤波器应用于所测量的传感器输出信号来为每个传感器计算多个辅助滤波传感器信号，每个辅助滤波器与从中已接收所测量的传感器信号的所述相应的传感器相关联，并且每个辅助滤波器取决于至少一个所述预先计算的滤波器参数； -为每个网格点组合为相应的传感器计算的所述多个辅助滤波传感器信号，以获得辅助聚焦输出信号，并且对为相应的网格点计算的辅助聚焦输出信号进行插值，以获得所述插值的聚焦输出信号。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，计算所述聚焦输出信号包括: -通过将相应的辅助滤波器应用于所测量的传感器输出信号来为每个传感器计算多个辅助滤波传感器信号，每个辅助滤波器与从中已接收所测量的传感器信号的所述相应的传感器相关联，并且每个辅助滤波器取决于至少一个所述预先计算的滤波器参数； -为每个传感器插值为相应的网格点计算的所述多个辅助滤波传感器信号，以获得插值的滤波传感器信号，并且组合为相应的传感器计算的所述插值的传感器信号，以获得所述插值的聚焦输出信号。
8.根据权利要求6或7所述的方法，包括为多个聚焦点确定相应的网格点子组；并且为所有确定的子组的网格点计算相应的辅助滤波传感器信号。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，计算所述聚焦输出信号包括: -为每个传感器从与所确定的网格点子组中的相应一个相关联的所述预先计算的滤波器参数中计算至少 一个插值的滤波器参数； -通过将相应的插值滤波器应用于所测量的传感器输出信号来为每个传感器计算插值的滤波传感器信号；以及 -组合为相应的传感器计算的所述插值的滤波传感器信号，以获得所述插值的聚焦输出信号。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过最小化最大旁瓣电平来计算与第一网格点相关联的每个预先计算的滤波器参数，所述最大旁瓣电平表示来自不同于所述第一网格点的一组其他位置的并且位于一组预定的频率处的干扰抑制水平。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，通过以下步骤计算与第一网格点相关联的每个预先计算的滤波器参数: -通过最小化最大旁瓣电平来为一组预定频率中的每一个确定一组传感器权重，所述最大旁瓣电平表示来自不同于所述第一网格点的一组其他位置的并且位于所述频率处的干扰抑制水平，每个传感器权重与相应的一个所述传感器相关联； -通过将由所述预先计算的滤波器参数定义的频率响应与由所述确定的传感器权重的子组构成的频率响应向量相匹配，来为每个传感器确定至少一个预先计算的滤波器参数，所述子组的所述传感器权重与相应的频率相关联。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网格点被布置为在相邻的网格点之间的距离小于波束形成器的本地波束宽度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述聚焦计算是滤波和相加计算。
14.根据前述权利 要求中任一项所述的方法，其中，确定所述网格点子组包括选择在所述聚焦点附近的网格点。
15.一种用于执行阵列聚焦的处理设备，所述处理设备包括:接口，用于从传感器阵列的相应的传感器中接收一组响应于被测量的量的传感器输出信号；以及处理单元，被配置为执行在前述权利要求的任一项中限定的所述方法的所述步骤，其中，所述处理单元包括用于存储所述一组预先计算的滤波器参数的存储介质。
16.—种声学处理系统,包括在权利要求15中限定的处理设备和一组传感器，所述一组传感器用于测量在一组测量位置处的被测量的量并且在通信连接中可连接至所述设备以将所述被测量的第一声学量转发至所述处理设备。
17.一种计算机程序，包括程序代码方法，所述程序代码方法被适配为:当在数据处理系统上执行所述程序代码方法时，使所述数据处理系统执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法的所述步骤。
18.一种计算机可读介质，具有存储在其上的一组预先计算的滤波器参数，所述一组预先计算的滤波器参数的每一个与一组网格点的其中一个相关联，并且当执行根据权利要求1至14中任一项所限定的所述方法的所述步骤时，所述一组预先计算的滤波器参数的每一个被在权利要求15中限定的处理设备使用。
【文档编号】G10K11/34GK103999151SQ201280053952
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】约尔延·哈尔 申请人:布鲁尔及凯尔声音及振动测量公司