一种两级music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多个语音信号 的方位角和俯仰角测量方法。
【背景技术】
[0002] 麦克风阵列测向是语音信号处理的主要研宄内容之一。语音信号的方位角估计广 泛应用于视频会议、声源位置定位和跟踪以及语音信号增强等领域。当只有一个语音源信 号时，方位角估计相对简单，然而当有多个语音源同时存在时，如何实现语音源的角度估计 与跟踪则是一个比较困难的问题。因为当有多个语音信号同时存在时，每个语音信号出现 的时间不同，占据的频带不同，这都是语音信号测向时必须考虑的实际问题。
[0003] 基于传统空间谱估计的宽带信号测向方法主要分为非相干子空间和相干子空间 法。前者通过对宽带信号进行子带分解，对每一个子带信号进行窄带信号空间谱估计，实现 相对简单。相干子空间法则是通过对每一个子带信号进行聚焦变换，变换到参考频率点，再 在参考频率处实施窄带空间谱估计。相干子空间法不仅要计算聚焦变换矩阵，而且还要选 择参考频率，因此实现相对复杂，其处理性能直接取决于聚焦矩阵的计算。前述两种方法在 解决多个宽带语音信号的实时测向问题仍存在不足。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可实现多个语音信号精确测向问题的麦克风阵列测向 方法，可用于通信或雷达等基于阵列天线实现宽带辐射源测向等领域。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0006] 一种两级MUSIC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，
[0007] 步骤1、获取麦克风阵列的采样数据XNXT()talK;
[0008]
【主权项】
1. 一种两级MUSIC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， 步骤1、获取麦克风阵列的采样数据XNXT(rtalK;
其中，N为阵列的阵元数，TotalK为语音数据处理长度； 步骤2、对采样数据进行分段，得到分段麦克风阵列数据SegXNX_gXSubK);
其中，Nseg为数据分段数，SubK为子段数据长度，OlapK为相邻子段数据重叠长度； 步骤3、获取频域分段阵列数据
分别对每个通道的每个子段数据进行离散傅里叶变换，得到频域分段麦克风阵列数 据：
第i通道的第1子段数据的傅里叶变换过程如下：
步骤4、选取可利用频率单元，得到可利用频率集； 对频域分段麦克风阵列数据按照阵元方向和数据段方向进行平均，得 到频域平均麦克风阵列数据:
将频域平均麦克风阵列数据中幅度谱超过设定门限的数据所对应的频率单元作为可 利用频率单元； 选出可利用频率单元后，根据频率单元所对应的频率值的大小进行降序排列，得到可 利用频率集AFsets= {A,f2，…fT}，J为可利用频率单元数； 步骤5、确定参考频率
，d为阵元间距，c为声音传播速度； 步骤6、利用两级MUSIC算法计算声源信号的入射角； 步骤6-1、确定最大能量频率单元； 在可利用频率集AFsets中寻找最大能量频率单元Fmax，判断该最大能量频率单元Fmax是否小于参考频率Fref，如果是则执行步骤6-2,否则执行步骤6-6 ; 步骤6-2、利用该最大能量频率单元Fmax对应的频域分段阵列数据采用MUSIC算法计 算角度估计值，执行步骤6-3 ; 步骤6-3、在可利用频率集AFsets中寻找最接近参考频率的频率单元判断该频率 单元A是否大于参考频率Fref，如果是则利用该频率单元fi对应的频域分段阵列数据采 用MUSIC算法计算角度估计值，执行步骤6-4,否则执行步骤6-5 ; 步骤6-4、角度估计解模糊； 当从步骤6-2转至执行步骤6-3时，利用步骤6-2得到的角度估计值进行解模糊：以步 骤6-2得到的角度估计值为参考值，选择步骤6-3得到的角度估计值中最接近参考值的对 应角度估计值作为最终的估计结果； 当从步骤6-6转至执行步骤6-3时，利用步骤6-6得到的角度估计值进行解模糊：以步 骤6-6得到的角度估计值为参考值，选择步骤6-3得到的角度估计值中最接近参考值的对 应角度估计值作为最终的估计结果； 步骤6-5、判断该频率单元&是否大于最大能量频率单元Fmax，如果是则利用频率单 元4对应的频域分段阵列数据采用MUSIC算法计算角度估计值，并作为最终的估计结果， 否则选择步骤6-2得到的角度估计值作为最终的估计结果； 步骤6-6、在可利用频率集AFsets中寻找小于参考频率Fref的最大值能量频率单元f/，如果存在f/〈Fref?，则利用该最大值能量频率单元f/对应的频域分段阵列数据采用 MUSIC算法计算角度估计值，执行步骤6-3,否则执行步骤6-7 ; 步骤6-7、利用参考频率Fref对应的频域分段阵列数据采用MUSIC算法计算角度估计 值，并作为最终的估计结果。
2. 根据权利要求1所述的两级MUSIC麦克风阵列测量方法，其特征在于：采用MUSIC算 法计算角度估计值的步骤如下：每个频率单元都对应于频域分段阵列数据中每一子段数据 的某一列，抽取每一子段中与该频率单元对应的列数据构成对应的频域阵列数据； 构造协方差矩阵； 对协方差矩阵进行特征分解，得到噪声子空间； 利用下式进行声源信号的角度估计：
其中，仏为噪声子空间，《(汉识)是与频率单元对应波长的阵列导向矢量，0为声源信号 的方位角，A为声源信号的俯仰角； 找出PmuSI。极大值点所对应的方位角 9和俯仰角P即为角度估计值。
3. 根据权利要求1所述的两级MUSIC麦克风阵列测量方法，其特征在于：所述步骤4中 选择可利用频率单元的门限为无语音时测量到的噪声的幅度谱峰的平均值。
4. 根据权利要求1所述的两级MUSIC麦克风阵列测量方法，其特征在于：所述子段数 据长度SubK和相邻子段数据重叠长度OlapK之间满足：0<OlapK<SubK-1。
【专利摘要】一种两级MUSIC麦克风阵列测向方法，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；对采样数据进行分段，得到分段麦克风阵列数据；获取频域分段阵列数据；选取可利用频率单元，得到可利用频率集；确定到达角估计时的参考频率；利用两级MUSIC算法计算声源信号的入射角。本发明结合不同频段频率单元进行角度估计时的优点，通过选择最接近参考频率的频率单元分别进行最多两级MUSIC谱估计，其中高频端的频率单元用于保证角度估计精度，低频段的频率单元则用于解角度估计模糊，利用低频端的角度估计结果解高频端的角度模糊，进而获得高精度的角度估计结果。
【IPC分类】G01S3-80, G10L21-0232
【公开号】CN104777450
【申请号】CN201510212769
【发明人】刘聪锋, 杨洁, 朱燕, 张煜, 李平, 王兰美
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月29日