[发明专利]用于球面阵的时域宽带谐波域波束形成器及波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，特别涉及一种针对球面阵的模式波束形成方法，尤其适用于宽带声信号的应用于球面麦克风阵列、球面水听器阵列的波束形成器及其波束形成方法。

背景技术

波束形成处理广泛应用于麦克风阵列、声呐、雷达和无线通信等领域，一般的阵元域波束形成的处理过程为：采用空间分布的传感器阵列采集数据，然后对所采集的阵列数据进行线性加权组合处理得到一个标量波束输出，该处理器称为波束形成器。通过设计加权系数，可以使阵列接收系统响应具有方向性，因此，波束形成器可用于进行空域滤波，提高信噪比。

近年来，文献中提出了针对球面阵的模式波束形成方法(J.Meyer and G.Elko，Ahighly scalable spherical microphone array based on an orthonormal decomposition of thesoundfield，in Proc.ICASSP，vol.2，May 2002，pp.1781-1784.)，其原理是对声场进行正交谐波分解，提取出各阶谐波，然后对各阶谐波进行加权综合，获得波束输出。与阵元域波束形成器相比，模式波束形成器处理通道减少，计算量也减少，且它可以将波束导向与加权分开，通过设计加权系数控制波束图，通过导向来控制波束主瓣方向，使得波束设计与扫描变得简便易行。

文献中提出的模式波束形成方法通常采用窄带模型。借助于宽带信号傅里叶变换，利用设计出的窄带波束形成器加权系数，可以在频域实现宽带波束形成。但是，频域波束形成的主要缺点是：由于它是分块处理，使得波束输出与输入间不可避免具有延时，在某些要求实时收听的应用(例如：语音信号收听)中无法使用。

在美国发明专利(G.W.Elko，R.A.Kubli，and J.Meyer，″Audio system based on atleast second-order eigenbeam，″United States Patent WO 03/061336 A1，July，2003.)中提出了一种基于谐波分解与滤波求和处理的时域宽带波束形成器框图。但，该专利中并未给出具体的实现方法，未指出采用何种滤波器，更没有给出滤波器的设计方法。而且，该方法在求取谐波时，引入了除法操作，这样，在某些频率除数特别小时，将造成波束形成器的稳健性较差。此外，它也没有考虑波束形成器的其他性能，如信噪比增益、旁瓣级等。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术中基于窄带模型的模式波束形成方法在频域实现宽带波束形成的频域处理方法不适用于语音信号收听的缺点，从而提供了一种时域宽带谐波域波束形成器及其波束形成方法。

为实现上述发明目的之一，本发明提供了一种用于球面阵的时域宽带谐波域波束形成器，该波束形成器包括：谐波变换模块、波束导向模块和波束图合成模块；所述的谐波变换模块，用于对传感器阵列接收的数据采样进行球谐波变换，得到谐波域数据；所述的波束导向模块，用于对谐波域数据进行加权与部分求和处理，输出导向后的谐波域数据；其特征在于，所述的波束图合成模块为基于FIR滤波器的波束图合成模块，波束导向后输出的各阶谐波域数据分别通过一个FIR滤波器，再对各FIR滤波器输出求和，获得波束输出时域数据。

作为上述技术方案的一种改进，所述的球面阵为透明球或刚性球。

作为上述技术方案的又一种改进，所述的波束导向模块，对于每一阶谐波域数据分为实部与虚部分别将各自由度(m＝0，…，n)谐波域数据进行单独加权求和处理，获得该阶谐波域数据导向后输出数据，其中，加权参数为：

自由度m＝0时，此时谐波域该数据为实数，加权值为

自由度0＜m≤n时，谐波域数据的实部加权值为：