本發(fā)明專利涉及語音信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法。

背景技術(shù)：

1、語音通信與交互的應(yīng)用涵蓋了遠程視頻會議、智能座艙、人工智能、國防軍事等眾多領(lǐng)域。不同的聲環(huán)境下，對拾音系統(tǒng)的要求也不同。在噪聲影響較大的復(fù)雜聲環(huán)境下，單個傳聲器難以實現(xiàn)有效的拾音效果。傳聲器陣列技術(shù)可以有效增強目標信號同時抑制噪聲信號，已成為拾音系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。差分傳聲器陣列具有尺寸小、增益高和頻率不變的空間響應(yīng)特點，得到了廣泛應(yīng)用。

2、傳統(tǒng)的級聯(lián)型差分陣列將傳聲器接收到的信號兩兩相減，得到聲壓梯度值，從而形成具有指向性的波束圖。但是級聯(lián)型差分陣列面臨嚴重的低頻白噪聲放大問題，波束穩(wěn)健性較差，且結(jié)構(gòu)固定，難以靈活應(yīng)用。

3、基于零點約束法的線性差分傳聲器陣列可以通過增加傳聲器數(shù)目來提升白噪聲增益，改善白噪聲放大問題，但其波束最優(yōu)指向只在端射方向?；谘趴杀日归_法的頻率不變環(huán)形差分陣列，在傳聲器陣列所在平面內(nèi)，波束可以調(diào)向到任意方位角，且設(shè)計的波束具有對稱性和頻率不變性，但在某些特定頻率，由于貝塞爾函數(shù)存在零值，使濾波器系數(shù)趨近于無窮大，白噪聲增益和指向性因子嚴重衰減，導(dǎo)致波束出現(xiàn)零陷問題，在這些頻率上期望信號顯著失真，波束的指向性圖也發(fā)生嚴重畸變。

4、使用一階定向傳聲器替代全向傳聲器，基于圓諧波分解法設(shè)計頻率不變的環(huán)形差分傳聲器陣列，避免了陣列的零陷問題，且極大改善了陣列低頻時的白噪聲放大問題。但是該陣列無法在約束旁瓣的同時實現(xiàn)最小主瓣寬度的波束圖。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)的不足，提供一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法。實現(xiàn)對波束圖旁瓣的控制并在旁瓣確定的情況下保持最小的主瓣寬度，同時利用定向陣元解決了環(huán)形陣列在基于雅可比展開法波束形成中的零陷問題，并改善了傳聲器陣列的低頻性能。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法，包括如下步驟：

3、s1：設(shè)定 n階切比雪夫型理想波束圖的期望指向角及旁瓣控制參數(shù)；

4、s2：構(gòu)建環(huán)形頻率不變差分傳聲器陣列，所述差分傳聲器陣列由 m個定向傳聲器均勻地分布于圓環(huán)之上；

5、s3：將所述定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的導(dǎo)向矢量進行圓諧波分解并取前 n階；

6、s4：設(shè)定 n階切比雪夫型理想波束圖與s3中所述的波束圖相同，并且波束在期望指向方向無失真，得到所設(shè)計波束形成濾波器系數(shù)的最小范數(shù)解向量；

7、s5：將所述設(shè)計波束形成濾波器系數(shù)的最小范數(shù)解向量與導(dǎo)向矢量相乘，得到定向陣元旁瓣可控環(huán)形差分傳聲器陣列的期望頻率不變波束圖，并對波束形成器的性能進行評估。

8、進一步地，所述的一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法，其特征在于，步驟s1中，理想波束圖的主瓣可以指向二維平面的任意方位角，具有頻率不變性，且可以在旁瓣控制參數(shù)給定的情況下獲得最小主瓣波束寬度，期望指向角為 θ s的 n階理想波束圖可表示為：

9、

10、其中 θ為入射波方向，為 n?階切比雪夫多項式，引入?yún)?shù) a和 b是為了保證理想波束圖最大功率指向期望方向，且期望方向信號無失真； ε是旁瓣控制參數(shù)，用于滿足旁瓣約束， ε取不同值可以構(gòu)成特定的波束圖，具體約束關(guān)系為：

11、

12、其中第一個式子為旁瓣約束，后兩個式子為理想波束圖約束。通過求解此方程組可得出 a， b和 ε之間的關(guān)系，表示為，，代入 n階理想波束圖表達式，并將表達式中的余弦部分利用歐拉公式轉(zhuǎn)化為指數(shù)形式可得：

13、

14、其中是整理后的波束形成器系數(shù)。

15、進一步地，所述的一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法，其特征在于，步驟s2中，傳聲器數(shù)量 m和理想波束圖階數(shù) n之間滿足關(guān)系，傳聲器陣元間距遠小于聲波的最小波長，傳聲器均勻分布于圓環(huán)上，相鄰傳聲器的方位角差值為2 π/ m；第 m個陣元的指向模式為：

16、

17、其中為第 m個陣元所在位置的方位角，是權(quán)重因子，對于，傳聲器是全向的；對于，傳聲器是定向的且方向性圖形狀由決定。

18、進一步地，所述的一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法，其特征在于，步驟s3中，定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的導(dǎo)向矢量可表示為：

19、

20、其中[?] t?表示轉(zhuǎn)置運算，d( ω,? θ)的第 n行元素的圓諧波分解展開式可表示為：

21、

22、其中 j為虛數(shù)單位，， c為空氣中聲速， ω為聲波角頻率， r為圓環(huán)半徑，表示宗量為的 n階第一類貝塞爾函數(shù)，為的一階導(dǎo)數(shù)。

23、進一步地，所述的一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法，其特征在于，步驟s4中，定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的 n階波束圖可表示為：

24、

25、其中[?]*表示共軛運算，，波束形成濾波器系數(shù)的向量形式可表示為：

26、

27、設(shè)計的波束在指向角方向無失真，約束條件為，其中[?] h表示共軛轉(zhuǎn)置運算；設(shè)計波束形成濾波器系數(shù)的最小范數(shù)解向量可表示為：

28、

29、其中：

30、

31、

32、

33、

34、

35、進一步地，所述的一種基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法，其特征在于，步驟s5中，在對波束形成器進行性能分析時，引入白噪聲增益、指向性因子和波束圖。

36、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的基于定向陣元環(huán)形差分傳聲器陣列的旁瓣可控波束形成方法可以在實現(xiàn)對波束圖旁瓣控制，在旁瓣確定的情況下保持最小主瓣寬度，獲得更好的波束指向性，同時解決環(huán)形傳聲器陣列在基于雅可比展開法波束形成中出現(xiàn)的零陷問題和低頻白噪聲放大問題。