一种用于平面阵列的远场波达角估计方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于平面阵列的远场波达角估计方法及系统，所述的方法包含：步骤101）将平面阵列作为麦克风对组成的线性子阵列的几何组合，且每一个线性子阵列决定一个子波达角；步骤102）在假定波达方向x已知的情况下：采用全局波达角来计算各子阵列的期望子波达角θi；通过各子阵列的时间差计算子阵列的估计子波达角步骤103）基于估计子波达角和期望子波达角构造代价函数为：步骤104）将代价函数收敛时的波达角作为最终确定的波达角的值，完成声源定位。所述τi采用如下策略获得：提取麦克风阵列的输出数字信号，对每一帧的数字化声音信号做加窗预处理，傅立叶变换并且在频域白化信号；计算预处理后信号的交叉相关，求取所有麦克风对之间的时间延迟τi。
【专利说明】一种用于平面阵列的远场波达角估计方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及宽带信号、远场的麦克风阵列声源定位【技术领域】，具体的说，本发明涉及一种用于平面阵列的远场波达角估计方法。
【背景技术】
[0002]远场波达角估计在麦克风阵列的应用中占居重要位置，它可用于远程会议，为麦克风阵列指示波束聚焦的方向，为会议摄像头提供指向信息。它能指示声源目标所在的空间方位，为后续的信息采集与处理提供重要的空间信息。
[0003]传统的宽带波达角估计算法分为两类，第一类是以基于相位变换的联合可控响应功率(SRP-PHAT)算法为代表的空间谱估计算法，另外一类是以基于相位变换的广义交叉相关(GCC-PHAT)为代表的时间差算法。前者以鲁棒性著称，具有较好的抗噪声、抗混响能力，但计算复杂度高；后者以计算效率著称，但鲁棒性差，容易遭受噪声和混响的干扰。这两类算法的代价函数存在两个共同的问题。其中，波达角是指声源入射的方向，相对于平面阵列的方位角和仰角。
[0004]其一，他们的代价函数通常拥有多个极值，而且根据最优准则，无法导出波达角的最优解，因此，不得不采用计算复杂度较高的格点搜索方法，寻求一个最优估计。格点搜索是导致这些算法高复杂度的主要原因。尽管有些算法提出了一些格点搜索的优化方法，但优化后的格点搜索的计算复杂度仍然不可忽略。
[0005]其二，基于交叉相关的时间差估计方法容易受到噪声和混响的影响，由于各麦克风所处于的位置不同，他们受到噪声和混响干扰的程度不同，计算精度差异较大。此外，时间差计算的精度，也和麦克风与声源的相对位置有关，在垂直于麦克风对的方向，时间延迟估计较准，然而在接近于平行方向，时间延迟估计精度较差。因此，我们必须在代价函数中考虑这种差异。不幸的是，大多数算法往往忽略了这一点，它们平等对待每一时间延迟{目息。对于某一时间差的大幅度扰动，往往导致较大的波达角估计误差。
[0006]以上两个问题根源于代价函数的定义，因此，解决上述问题必须从代价函数的定义入手。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于，为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种用于平面阵列的远场波达角估计方法及系统。
[0008]为实现上述目的，本发明提供了一种用于平面阵列的远场波达角估计方法，所述的方法包含:
[0009]步骤101)将平面阵列作为麦克风对组成的线性子阵列的几何组合，且每一个线性子阵列决定一个子波达角；
[0010]步骤102)在假定波达方向X已知的情况下:
[0011]首先，采用全局波达角来计算各子阵列的期望子波达角Θ i ;然后采用通过各子阵列的时间差计算子阵列的估计子波达角I;
[0012]步骤103)基于针对各子阵列估计波达角和期望波达角构造代价函数为:1 J 「-卞
【权利要求】
1.一种用于平面阵列的远场波达角估计方法，所述的方法包含: 步骤101)将平面阵列作为麦克风对组成的线性子阵列的几何组合，且每一个线性子阵列决定一个子波达角； 步骤102)在假定波达方向X已知的情况下: 首先，采用全局波达角来计算各子阵列的期望子波达角Θ i ;然后采用通过各子阵列的时间差计算子阵列的估计子波达角4 I 步骤103)基于针对各子阵列估计波达角和期望波达角构造代价函数为:1 M-
2.根据权利要求1所述的用于平面阵列的远场波达角估计方法，其特征在于，所述期望子波达角Θ i的计算公式为:
Θ j=arccos (c τ J(Ii) 所述估计子波达角Is的计算公式为:
3.根据权利要求1或2所述的用于平面阵列的远场波达角估计方法，其特征在于，所述τi米用如下策略获得: 步骤1:提取麦克风阵列的输出数字信号，对每一帧的数字化声音信号做加窗预处理，进行傅立叶变换，并且在频域白化信号； 步骤2:计算预处理后信号的交叉相关，对于来自每对麦克风的傅立叶谱进行点乘，求取所有麦克风对之间的时间延迟τ”
4.根据权利要求1所述的用于平面阵列的远场波达角估计方法，其特征在于，所述步骤104)进一步包含: 步骤104-1)假定权重系数相等，即Wi=IzU初始化指向χ=[1，0，0];对于所有麦克风对，计算它们的连线表示的单位方向矢量，g/ = [gugu]1，其中Si,I和gi，2分别表示表示gi的第一维和第二维； 步骤104-2)将所有的g/和Ti代入代价函数公式
5.根据权利要求4所述的用于平面阵列的远场波达角估计方法，其特征在于，所述步骤104-5)采用反正切三角函数将波达方向矢量i转化为方位角和仰角，其中，方位角为arcianfxJx,):当為> ο时,仰角表示为
6.一种用于平面阵列的远场波达角估计系统，所述的系统包含: 设置模块，用于将平面阵列作为麦克风对组成的线性子阵列的几何组合，且每一个线性子阵列决定一个子波达角； 波达角获取模块，用于在给定一个未知的DOA情况下采用如下策略获取波达角: 首先，采用全局波达角来计算各子阵列的期望子波达角^ ;然后采用通过测量子阵列的时间差计算各子阵列的估计子波达角Θ i ； 代价函数生成模块，用于基于针对各子阵列的上述估计子波达角和期望子波达角构造代价函数为:
7.根据权利要求6所述的用于平面阵列的远场波达角估计系统，其特征在于，所述期望子波达角Θ i的计算公式为:
Θ j=arccos (c τ J(Ii) 所述估计子波达角Ii的计算公式为:
8.根据权利要求6或7所述的用于平面阵列的远场波达角估计系统，其特征在于，获取τ i时采用如下模块: 预处理模块，提取麦克风阵列的输出数字信号，对每一帧的数字化声音信号做加窗预处理，进行傅立叶变换，并且在频域白化信号；和 计算预处理后信号的交叉相关，对于来自每对麦克风的傅立叶谱进行点乘，求取所有麦克风对之间的时间延迟
9.根据权利要求6所述的用于平面阵列的远场波达角估计系统，其特征在于，所述波达角确定输出模块进一步包含:初始化子模块，用于假定权重系数相等，即Wi=IzU初始化指向f = ;对于所有麦克风对，计算它们的连线表示的单位方向矢量，g/ =[gi,1.Si,2]1 ； 第一处理子模块，用于将所有的gi '和τ i代入代价函数公式
10.根据权利要求9所述的用于平面阵列的远场波达角估计系统，其特征在于，所述波达角输出子模块采用反正切三角函数将波达方向矢量i转化为方位角和仰角，其中，方位角为CtrCtaiidA1):当毛 > O时,仰角表示为
【文档编号】G01S5/20GK103837858SQ201210483581
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】应冬文, 国雁萌, 付强, 潘接林, 颜永红 申请人:中国科学院声学研究所, 北京中科信利技术有限公司