[0143] 步驟6、對Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，并將步驟5中獲得的指向 角度Θ /校準(zhǔn)為最終的定位角度Θ P
[0144] 下面結(jié)合一些具體實施例以及對比例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0145] 實施例1
[0146] 本發(fā)明方法波束形成器的設(shè)計方法是基于凸優(yōu)化的波束指向可調(diào)的寬帶穩(wěn)健遠(yuǎn) 場頻率不變波束形成器算法。
[0147] 現(xiàn)有的波束形成器設(shè)計技術(shù)其中包括基于凸優(yōu)化的最小二乘波束指向可調(diào)的寬 帶穩(wěn)健遠(yuǎn)場波束形成器算法，本發(fā)明的算法在處理語音信號的頻段分布較寬時，性能優(yōu)勢 較為明顯。為此，舉例說明相同環(huán)境下的兩種算法的性能對比?？紤]Farrow結(jié)構(gòu)波束形 成器的陣型為：陣元數(shù)為10、階數(shù)為5、抽頭數(shù)為20,信號頻段分布在[800Hz，3600Hz]，陣 元間距為5cm，可調(diào)方向范圍為40°到140°，參考頻率為8000Hz，過渡帶為40°。圖3和 圖4為本發(fā)明基于凸優(yōu)化束指向可調(diào)頻率不變（FIB)波束指向可調(diào)指向60°的波束圖的 三維圖和正視圖；圖5和圖6為基于凸優(yōu)化束指向可調(diào)最小二乘（LS)波束指向可調(diào)指向 60°的波束圖的三維圖和正視圖。通過以上仿真分析表明，本發(fā)明方法在信號頻率分布在 [800Hz, 3600Hz]的環(huán)境要求下，指向性能優(yōu)勢明顯。
[0148] 實施例2
[0149] 本發(fā)明方法說明了 Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器本身是存在系統(tǒng)誤差的。校準(zhǔn)工作在 本發(fā)明中起著很大的作用。這個步驟的根本原因在于Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器本身是具有 系統(tǒng)誤差的。我們通過具體實例證明這個理論。
[0150] 假設(shè)存在均勻分布的麥克風(fēng)線列，維度是10X5X20,即有10個麥克風(fēng)，每個麥克 風(fēng)接5階FIR濾波器，每個FIR的抽頭為20。相鄰的麥克風(fēng)間隔5cm，并且采樣頻率為f s = 8000Hz。波束可調(diào)方向范圍Ψ設(shè)為-，感興趣的頻率范圍Ω為[1000-3000]Hz， 參考頻率f；= 2600。在每個波束指向中，通帶帶寬（PW)設(shè)為40°。在我們定義角度范圍 內(nèi)，每個波束指向下的左右兩個阻帶分別[0°，Φ^ΡΙ/2-20° ]，[(i>d+PW/2+20°，180° ]， 其中是指向角度，白噪聲增益為0.001。我們按照上述條件來設(shè)計我們的波束形成器。
[0151] 圖7和圖8分別給出了基于凸優(yōu)化波束指向可調(diào)頻率不變（FIB)算法在上述條件 下設(shè)計的波束形成器指向60°時方向圖的三維圖和正視圖。由正視圖可以看出，方向圖的 最高點并不是指向60°，實際指向為66. 5306°，實際值與理論值相差了 6. 5306°。這就是 我們所說的系統(tǒng)誤差。
[0152] 實施例3
[0153] 本發(fā)明方法說明校準(zhǔn)工作對Farrow-SRP-PHAT算法性能的影響。校準(zhǔn)工作是為了 消除Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器系統(tǒng)誤差。這個步驟在本發(fā)明方法中的起著很大的作用。
[0154] 說話人位于坐標(biāo)（2. 6, 2. 8)m位置，麥克風(fēng)陣列中心點位于（3,0)m ;
[0155] 考慮波束可調(diào)方向范圍從40°到140°，以2°為間隔，進(jìn)行10次蒙特卡洛實驗。 對這10次結(jié)果求取均值和方差，利用均方根誤差作為評價指標(biāo)。
[0156] 圖9為信噪比分別為為10dB、5dB，混響分別300ms到800ms以50ms為間隔的混 響噪聲環(huán)境下仿真的性能對比圖；圖10為混響時間分別為250ms、300ms，信噪比分別-20dB 到20dB以5dB為間隔的混響噪聲環(huán)境下仿真的性能對比圖。通過以上仿真分析表明，本發(fā) 明方法校準(zhǔn)之后，定位精度有顯著提高；并且抗混響性能以及抗噪聲性能也有明顯的提升。
[0157] 實施例4
[0158] SRP-PHAT算法以及本發(fā)明方法仿真以及性能比較。
[0159] 說話人位于坐標(biāo)（2. 6, 2. 8)m位置，麥克風(fēng)陣列中心點位于（3,0)m ;
[0160] 考慮波束可調(diào)方向范圍從40°到140°，以2°為間隔，進(jìn)行10次蒙特卡洛實驗。 對這10次結(jié)果求取均值和方差，利用均方根誤差作為評價指標(biāo)。
[0161] 圖11表示信噪比10dB、0dB，混響分別為300ms到650ms以50ms為間隔的混響噪 聲環(huán)境下仿真的性能對比圖；圖12為混響時間分別是600ms和750ms，信噪比分別為3dB到 21dB以3dB為間隔的混響噪聲環(huán)境下仿真的性能對比圖。從仿真結(jié)果來看，本發(fā)明方法的 定位精度要高于SRP-PHAT方法，且抗噪聲以及抗混響性能也是優(yōu)于SRP-PHAT方法的。
[0162] 實施例5
[0163] 通過對各參數(shù)分別對SRP-PHAT以及本發(fā)明算法運(yùn)算量的影響，比較本發(fā)明算法 和SRP-PHAT算法運(yùn)算量的對比。圖13為陣元數(shù)對二者運(yùn)算量的影響，圖14為掃描點數(shù)對 二者運(yùn)算量的影響，圖15為抽頭數(shù)對二者運(yùn)算量的影響，圖16為信號序列的點數(shù)對二者運(yùn) 算量的影響。通過各參數(shù)對二者運(yùn)算量的影響可以看出：Farrow-SRP-PHAT算法的的運(yùn)算 量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SRP-PHAT算法。
[0164] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種SRP聲源定位的快速實現(xiàn)方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟1、利用基于凸優(yōu)化的波束指向可調(diào)的寬帶穩(wěn)健遠(yuǎn)場頻率不變波束形成器算法得 到Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的最優(yōu)權(quán)值，從而完成Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的設(shè)計； 步驟2、將各麥克風(fēng)陣列的輸入信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，根據(jù)不同麥克風(fēng)以及輸入信號的階 數(shù)將FFT運(yùn)算后的輸入信號進(jìn)行兩兩相乘，求得相位加權(quán)函數(shù)； 步驟3、將各麥克風(fēng)陣列的輸入信號輸入至Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器中進(jìn)行空域濾波， 空域濾波后的輸出信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，根據(jù)不同麥克風(fēng)以及輸出信號的階數(shù)將FFT運(yùn)算后 的輸出信號進(jìn)行兩兩相乘求得相位加權(quán)函數(shù)對應(yīng)量； 步驟4、根據(jù)兩個麥克風(fēng)以及各自輸入信號的階數(shù)所確定的相位加權(quán)函數(shù)以及相位加 權(quán)函數(shù)對應(yīng)量為一組進(jìn)行對應(yīng)，將屬于同一組的相位加權(quán)函數(shù)與相位加權(quán)函數(shù)對應(yīng)量進(jìn)行 相乘，然后將相乘的結(jié)果進(jìn)行IFFT運(yùn)算之后并累加求和得到所有的麥克風(fēng)中的兩兩麥克 風(fēng)的廣義互相關(guān)函數(shù)之和并進(jìn)行鎖存； 步驟5、將兩兩麥克風(fēng)的廣義互相關(guān)函數(shù)之和與調(diào)向參數(shù)D做乘積并累加運(yùn)算，得到相 應(yīng)掃描點的瞬時功率，搜索瞬時功率的最大峰值得到對應(yīng)的指向角度9 / ; 步驟6、對Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，并將步驟5中獲得的指向角度 0/校準(zhǔn)為最終的定位角度0P2. 如權(quán)利要求1所述的SRP聲源定位的快速實現(xiàn)方法，其特征在于：步驟1的設(shè)計過 程中，采用如下穩(wěn)健的最大誤差最小化的優(yōu)化設(shè)計的代價函數(shù)：⑴式中： g是導(dǎo)向量；Ag是導(dǎo)向矢量的誤差；f是頻率點；0是波達(dá)方向角度點；(}>是波束指向 角度；W是預(yù)定義的可調(diào)方向范圍；、&、9n分別表示離散的可調(diào)方向角度點、頻率點 以及波達(dá)方向角度點；f；是參考頻率；Q是感興趣的頻帶范圍；Z是預(yù)設(shè)的參數(shù)范圍；?p 是主瓣角度范圍；?s是旁瓣角度范圍；e表示將導(dǎo)向矢量誤差A(yù)g的模值控制在e值的 界內(nèi)；同理，n則表示其左側(cè)的表達(dá)式的模值被認(rèn)為控制在n值得界內(nèi)；F是加權(quán)系數(shù);WT 是權(quán)值的轉(zhuǎn)置； 利用SeDumi軟件對上式進(jìn)行求解得出Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的最優(yōu)權(quán)值w。3. 如權(quán)利要求1所述的SRP聲源定位的快速實現(xiàn)方法，其特征在于：所述步驟3步驟 中，編號為j的麥克風(fēng)陣元的輸入信號經(jīng)過Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器進(jìn)行空域濾波后輸出信 號為：(2)式中： M是Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器中的濾波器的階數(shù)； 并且有：(3)式中： Xk (t)表示第k個麥克風(fēng)陣元的輸入信號；wkini表示最優(yōu)權(quán)值中的第k個麥克風(fēng)陣元的 第m階濾波器的權(quán)值；K表示麥克風(fēng)陣元的個數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種SRP聲源定位的快速實現(xiàn)方法，首先求得Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的最優(yōu)權(quán)值；然后計算屬于Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器SRP-PHAT的相位加權(quán)函數(shù)；接著計算屬于Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器SRP-PHAT所有麥克風(fēng)兩兩麥克風(fēng)的廣義互相關(guān)函數(shù)之和并進(jìn)行鎖存；再次將鎖存后的輸出信號與Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器掃描角度唯一有關(guān)的調(diào)向參數(shù)D進(jìn)行乘積相加運(yùn)算，得到相應(yīng)掃描點的瞬時功率，搜索最大峰值得到對應(yīng)的定位角度θrˊ；最后進(jìn)行消除Farrow結(jié)構(gòu)波束形成器的系統(tǒng)誤差的校準(zhǔn)，得最終θr。本發(fā)明相比原SRP-PHAT運(yùn)算量降低；且對混響和噪聲具有更高的魯棒性、方位角估計精度也較高。
【IPC分類】G01S5/22
【公開號】CN105044675
【申請?zhí)枴緾N201510418561
【發(fā)明人】尹明婕, 陳華偉
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月16日