基于相位差测量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，尤其设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福射源测向等领域。
【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究内容得到了广泛的关注。
[0003] 对于语音信号，由于其宽频带特性使得传统基于空间谱估计类的波达方向估计方 法实现比较复杂。该是因为语音信号几乎占据整个处理带宽，因而麦克风阵列的阵元间距 不可能对全部频率单元都满足小于半波长。然而语音信号的能量主要集中在有限的几个频 段上，基于此，发明人提出了一种基于相位差测量的麦克风阵列的测向方法，利用该几个频 段上的频率单元进行语音信号的角度估计，该样不仅省略了时延估计，而且相位差观测量 更多。
【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， 在麦克风阵列数量较大W及可利用频率单元较多时，具有较高的测向性能。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0006] 基于相位差测量的麦克风阵列测向方法，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，
[0007] 步骤1、获取麦克风阵列的采样数据XwxK:
[0008]
【主权项】
1.基于相位差测量的麦克风阵列测向方法，其特征在于，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XNXK:
其中，K为数据帧长度，N为麦克风阵列的阵元数，xn，k为第n个阵元的第k个采样数据，n= 1，…，N，k= 1，…，K; 步骤2、对麦克风阵列的采样数据按照通道序号依次进行快速傅里叶变化，得到麦克风 阵列的频域数据<^ ; JV,1JV,Z,
iV,JV
I第i通道的采样数据进行快速傅里叶变换后得到的频域数据，i 为通道序号，i= 1，…，N; 步骤3、选择可利用频率单元； 步骤3-1、将麦克风阵列的频域数据^.按照通道序号进行集平均，得到麦克风阵列 的平均频域数据
J?麦克风阵列的平均频域数据进 行语音能量分布检测，将幅度谱大于门限阈值的频率单元作为语音检测频率单元； 步骤3-2、设置频域选择范围； 步骤3-3、设置频域能量门限； 步骤3-4、将位于频域选择范围内且幅度谱大于频域能量门限的语音检测频率单元选 为可利用频率单元； 步骤4、根据可利用频率单元，计算相应的阵列距离差矢量； 步骤4-1、构造与可利用频率单元对应的麦克风阵列频域数据 J个可利用频率单元分别对应于麦克风阵列的平均频域数据中的第&，… 个元素，h表示平均频域数据中的相应列标或序号值，j= 1，2,…，J，针对每一个可利用频 率单元，选取麦克风阵列的频域数据文Vxi~中相应的列元素构成:
其中，表示表示第n个阵元的第h个频域阵列数据； 步骤4_2、计算可利用频率单兀的对应相位差矢量;
其中，angle{ ? }表示取相角处理； 步骤4-3、计算可利用频率单元的阵列距离差矢量Arkj:
其中，为与可利用频率单元对应的波长； 步骤5、利用所有可利用频率单元的阵列距离差矢量组成语音信号方向矢量的高维线 性方程组，联合求解声源信号的方向矢量估计值； 步骤5-1、构造联合距离差矢
中，Arkj为第1^_个可利用频率单元的阵 列距尚差矢量； 步骤5-2、构造联合位置矩卩
，其中，位置矩
(xn,yn,zn)为第n个阵元的位置坐标； 步骤5-3、计算声源信号的方向矢量估计值
步骤6、计算声源信号的方位角估计值6*和俯仰角估计值彡，
其中，h为方向矢量估计值S的第一项元素，y2为方向矢量估计值i的第二项元素，y3为方向矢量估计值S的第三项元素。
2. 根据权利要求1所述的基于相位差测量的麦克风阵列测向方法，其特征在于：所述 步骤3-2中频域选择范围为100Hz~2000Hz。
3. 根据权利要求1所述的基于相位差测量的麦克风阵列测向方法，其特征在于：所述 频域能量门限的设置方法为：测量噪声的频域峰值，选择多个处理帧的频域噪声能量峰值 的平均值作为可利用频率单元选择的能量门限。
【专利摘要】基于相位差测量的麦克风阵列测向方法，步骤如下：获取麦克风阵列的采样数据；对麦克风阵列的采样数据按照通道序号依次进行快速傅里叶变化，得到麦克风阵列的频域数据；选择可利用频率单元；根据可利用频率单元，计算相应的阵列距离差矢量；利用所有可利用频率单元的阵列距离差矢量组成语音信号方向矢量的高维线性方程组，联合求解声源信号的方向矢量估计值；根据声源信号的方向矢量估计值计算声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值。本发明方法具有测向速度快，精度高的特点，尤其是利用语音信号多个可利用频率单元的相位差信息，具有较高的方位角和俯仰角估计性能。
【IPC分类】H04R29-00
【公开号】CN104811886
【申请号】CN201510170074
【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29日
【申请日】2015年4月10日