一种结合白噪声增益约束的精确阵列响应控制方法及装置

本发明属于声学信号处理领域，具体涉及一种结合白噪声增益约束的精确阵列响应控制方法及装置。

背景技术：

1、传声器阵列由按一定规律排列的多个传声器构成，广泛应用于声学信号处理领域，如语音交互、电话会议等。传声器阵列能够提取特定方向的期望信号，同时抑制不同方向的干扰和环境噪声，具有优秀的空间滤波性能。由于语音信号频带较宽，在处理时需要采用宽带波束形成技术。在宽带波束形成的时域与频域实现方法中，时域方法采用滤波后求和的结构，往往应用于要求低处理时延的场景。根据滤波器系数是否依赖接受数据，可将波束形成器分为自适应波束形成器和固定波束形成器。典型的自适应波束形成器包括线性约束最小方差波束形成器(linearly constrained minimum variance,lcmv)和最小均方无失真响应(minimum variance distortionless response,mvdr)波束形成器等。固定波束形成器包括延迟求和(delay-and-sum,das)波束形成器和超指向性(superdirective,sd)波束形成器等。实际应用中，自适应波束形成器计算量较大且当存在误差时可能损伤目标信号，因此在要求低计算量与高稳健性的应用场景中，固定波束形成器往往得到更多的应用。对于固定波束形成器，如何设计滤波器系数以获得理想的波束图是至关重要的。

2、阵列波束设计问题也被称为阵列波束图综合问题。在过去的几十年中，大量的研究致力于阵列波束图综合问题。自1990年，许多学者选择引入自适应波束形成方法中的零陷机制进行窄带波束形成器的设计。olen和compton提出了凹槽噪声法，然而该方法在选择虚拟干扰功率时采用迭代的方式，设计效率较低。针对窄带波束设计，张学敬等学者提出了最优精确阵列响应控制算法(optimal precise array response control,oparc)，通过迭代更新窄带虚拟干扰与噪声协方差矩阵(virtual interference-plus-noise covariancematrix,vincm)，能够实现对阵列响应的精确控制。但是上述方法仅适用于窄带信号，无法应用于时域结构的宽带波束形成器。对于时域滤波后求和结构的宽带波束形成器，鄢社锋等提出将阵列波束图综合问题转化为二阶锥规划问题(second order cone programming,socp)问题，并采用基于内点法(interior-point method,ipm)的工具包如cvx求解得到最优滤波器系数。然而，基于优化算法的波束设计方法常使用基于内点法的工具包进行求解，计算时间较长且在不合理的约束条件下可能会出现无解的情况。同时，基于优化算法的波束设计方法预先设定期望波束图，对于其旁瓣级(sidelobe level,sll)与白噪声增益(white noise gain,wng)需要通过多次预实验进行确定。因此，如何在无需预实验的条件下进行宽带波束设计，是亟待研究的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术进行宽带阵列波束设计时需要进行多次预实验的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种结合白噪声增益约束的精确阵列响应控制方法，所述方法适用于时域波束形成器，所述时域波束形成器在每个传声器之后接有一组有限脉冲响应滤波器；

3、所述方法包括：

4、步骤s1：初始化滤波器系数，设置初始白噪声增益约束条件及旁瓣级约束条件；

5、步骤s2：选定波束图中需要进行控制的位置，在对应频率与角度添加虚拟干扰源，更新滤波器系数，计算波束形成器的白噪声增益，若不满足白噪声增益约束条件，则修改旁瓣级约束条件重新更新滤波器系数，直至计算得到滤波器系数同时满足白噪声增益约束条件和旁瓣级约束条件或达到设定迭代次数后停止迭代，得到最终的滤波器系数。

6、作为上述方法的一种改进，所述初始化滤波器系数，具体包括：

7、构建初始宽带虚拟干扰与噪声协方差矩阵为单位阵；计算初始滤波器系数h0：

8、

9、其中，表示目标方向约束矩阵，θ0表示声源方向，表示取实部操作，表示取虚部操作，fk，k＝1,…,k表示受到控制的第k个频点对应的频率，k表示所控制的频率数；t表示矩阵转置；u(fk,θ0)表示对于位于方向θ0、频率为fk的远场信号，时域波束形成器的导向向量：

10、

11、其中，表示克罗内克积；e(fk)表示l维傅里叶变换因子，l表示有限脉冲响应滤波器的阶数；a(fk,θ0)表示m维频域导向向量，m表示传声器个数；

12、e(fk)＝[1,exp(-j2πfk/fs),...,exp(-j2π(l-1)fk/fs)]t

13、a(fk,θ0)＝exp[-j2πfksin(θ0)d/c]

14、其中，m维向量d包含每个传声器与参考位置间距离，c表示声速，fs表示采样频率；

15、g＝[1,...,1,0,...,0]由k个1和k个0组成；表示ml×ml单位矩阵。

16、作为上述方法的一种改进，所述选定波束图中需要进行控制的位置，具体为：

17、

18、其中，fj，θj分别为第j次迭代控制点的频率与角度；b为控制频带；θ为控制角度范围；pd(f,θ)为期望阵列响应；

19、归一化后的阵列功率响应pj(f,θ)为：

20、

21、其中，hj表示第j次迭代时的滤波器系数；θ0表示声源方向；f0表示归一化参考频率。

22、作为上述方法的一种改进，所述更新滤波器系数，具体为：

23、hj＝hj[(sj)4,(sj)3,(sj)2,sj,1]t

24、其中，sj表示虚拟干扰的功率，由下式计算得到：

25、[(sj)4,(sj)3,(sj)2,sj,1]gj[(sj)4,(sj)3,(sj)2,sj,1]t＝0

26、其中，系数矩阵上标h代表矩阵的共轭转置；pd(fj,θj)表示期望阵列响应；矩阵hj∈rml×5为已知的实数系数矩阵，通过将式(a1)及式(a2)代入式(a3)并提取未知系数sj计算得到：

27、

28、

29、

30、其中，表示第j次迭代时虚拟干扰的协方差矩阵，计算公式为：

31、

32、向量分别为等式右侧ml×2维矩阵的第一列与第二列向量；通过对2×2维矩阵进行特征分解，得到特征值λj1、λj2，ej为特征向量构成的ml×2维矩阵；

33、向量分别为等式右侧ml×2维矩阵的第一列与第二列向量；通过对2×2维矩阵进行特征分解，得到特征值γj1、γj2，fj为特征向量构成的矩阵。

34、作为上述方法的一种改进，所述计算波束形成器的白噪声增益，若不满足白噪声增益约束条件，则修改旁瓣级约束条件重新更新滤波器系数，直至计算得到滤波器系数同时满足白噪声增益约束条件和旁瓣级约束条件或达到设定迭代次数后停止迭代，具体为：

35、当所得滤波器系数的白噪声增益小于设定值时，若期望阵列响应pd(fj,θj)小于设定值，则设置期望阵列响应增加1db，并重新更新滤波器系数；

36、若迭代次数等于设定值，或期望阵列响应pd(fj,θj)等于设定值，且当前波束图的旁瓣级低于期望阵列响应pd(fj,θj)，则退出迭代并得到最终的输出；

37、否则重新执行步骤s2。

38、本技术还提供一种结合白噪声增益约束的精确阵列响应控制装置，基于上述方法实现，所述装置包括时域波束形成器和精确阵列响应控制系统；

39、所述时域波束形成器在每个传声器之后接有一组有限脉冲响应滤波器；

40、所述精确阵列响应控制系统包括：

41、初始化模块，用于初始化滤波器系数，设置初始白噪声增益约束条件及旁瓣级约束条件；和

42、迭代计算模块，用于选定波束图中需要进行控制的位置，在对应频率与角度添加虚拟干扰源，更新滤波器系数，计算波束形成器的白噪声增益，若不满足白噪声增益约束条件，则修改旁瓣级约束条件重新更新滤波器系数，直至计算得到滤波器系数同时满足白噪声增益约束条件和旁瓣级约束条件或达到设定迭代次数后停止迭代，得到最终的滤波器系数。

43、与现有技术相比，本发明的优势在于：

44、本技术提出一种新型的结合白噪声增益约束的精确阵列响应控制方法，可用于时域结构的任意阵型传声器阵列。本技术方法将窄带自适应波束形成方法的零陷设计机制引入宽带波束设计，通过构建宽带虚拟干扰与噪声协方差矩阵(virtual interference-plus-noise covariance matrix,vincm)实现对波束图中指定位置响应的精确控制。在更新滤波器系数时，本技术方法根据白噪声增益(white noise gain,wng)对期望波束进行调整，具有灵活的波束设计性能。多次迭代更新vincm后，能够设计得到满足要求的宽带阵列波束图。在半消声室实际实验中，设计得到的波束形成器相较传统固定波束形成器展现出更好的干扰抑制性能，具有重要的应用价值。