[发明专利]基于PSO‑MVDR的声场重构与鬼影抑制方法

权利要求书

1.一种基于PSO-MVDR的声场重构与鬼影抑制方法，其特征在于：该方法是在对等间距十字传声器阵列进行优化的基础上，采用MVDR波束形成方法进行声场重构，得到声压云图；具体包括以下步骤：

步骤1，将含有一定阵元的等间距十字传声器阵列PSO粒子群算法，寻找最优的各阵元移动距离的组合，获得没有栅瓣，旁瓣影响最小的不等间距十字阵；在通过PSO算法得到优化的不等间距十字阵之后，该阵列的栅瓣已尽可能多地被抑制，并已退化成为旁瓣；

步骤2，为了进一步削弱旁瓣对声场重构的影响，在获得优化不等间距十字阵的基础上，使用借助MVDR波束形成算法来进行声场的重构；所述方法应用于有限空间、有限传声器个数情况下，应用领域为声学。

2.根据权利要求1所述的一种基于PSO-MVDR的声场重构与鬼影抑制方法，其特征在于：所述步骤1中的含有一定阵元的等间距十字传声器阵列PSO粒子群算法，包括：首先，确立阵列优化的最终目标，即在保持十字阵列形状不变的前提下，寻找最优的各阵元移动距离的组合，使得在不等间距阵列情况下的声场重构的最大旁瓣级SL最小；然后，初始化粒子群，进行多次迭代运算，每一次迭代运算均需要更新粒子群算法的全局最优解，并记录全局最优解的最大旁瓣值,当最大旁瓣值SL趋于收敛时，算法迭代结束，得到一组最优的阵元位置坐标解。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于PSO-MVDR的声场重构与鬼影抑制方法，其特征在于：所述步骤1中的含有一定阵元的等间距十字传声器阵列PSO粒子群算法具体包括以下步骤：

首先，用声场重构结果中最大旁瓣级SL的大小作为优化目标，以此来衡量阵列的优化效果；在传声器阵元数量有限的情况下，为确保重构后的声场云图具有足够的空间分辨率，选取十字传声器阵列来进行位置的优化；为保持阵列的十字形状，十字交叉点处的阵元位置在优化后保持不变；由上述分析可知，阵列优化的目标为：寻找最优的各阵元移动距离的组合，使得在不等间距阵列情况下的声场重构的最大旁瓣级SL最小；

然后，进行算法的初始化和迭代运算：

设Z_i＝{z_i1,z_i2,…,z_ij,…z_i13}为某一种可能的阵元位置坐标解，称Z_i为一个粒子，其中Z_ij表示第i个粒子中第j个阵元的坐标位置；由m个粒子组成一个组群Z＝{Z₁,Z₂,…Z_i…,Z_m}，将粒子群初始化；

在迭代运算中，每个粒子的速度，记做Vi＝{v_i1,v_i2,…v_id…v_i13}，其中v_id表示在第i个粒子中第d个阵元坐标的速度；在每一次迭代计算中，每个粒子可以根据式(1)来更新速度：

v_id(t+1)＝wv_id(t)+η₁rand()(p_id-z_id(t))+η₂rand()(p_gd-z_id(t)) (1)

式(1)中，v_id(t)表示第i个粒子第d个阵元坐标在第t次迭代中的速度，z_id(t)则表示经过第t次迭代后，第i个粒子中第d个阵元的坐标解，w为惯性权重，η₁、η₂为加速常数，rand()为0到1之间的随机数；p_id和p_gd分别表示自搜索开始到经过t次迭代后每个粒子和整个粒子群所搜索到的最优坐标解；在更新了粒子速度的基础上，则可得到第(t+1)次迭代后第i个粒子中第d个阵元的坐标解z_id(t+1)：

z_id(t+1)＝z_id(t)+v_id(t+1) (2)

粒子更新后，计算各粒子的最大旁瓣级，同已有的各粒子和整个粒子群的最优坐标解的最大旁瓣级进行比较，以更新各粒子和整个粒子群的最优坐标解，继续下一次迭代运算；

最后，当最大旁瓣级SL达到最小，并趋于收敛时，整个算法迭代结束，即可得到一组最优的阵元位置坐标解；

综上所述，为了减小声场重构中的栅瓣值，同时也减小原有旁瓣值的增加量，利用PSO算法，在阵元个数有限的情况下，对不等间距十字阵进行了位置的优化，以最大旁瓣级SL最小作为优化目标，最终获得了阵列的最优布置方案。

4.根据权利要求1所述的一种基于PSO-MVDR的声场重构与鬼影抑制方法，其特征在于：所述步骤2中所述的针对不等间距十字阵列的MVDR波束形成方法，其原理如下所述：

波束形成算法中，阵列的声压响应p为：其中，w为加权向量x为各通道信号[x₁，x₂，…x_M]^T,其中m＝1、2…M；

在MVDR算法中，加权向量w的形式为：

其中，为声源恰好从重构方向入射时的阵列流形向量，ρ_n为干扰信号的协方差矩阵,而在实际应用中，由于接收数据中的干扰信号的协方差矩阵ρ_n是无法估计的，往往用接收数据的互功率谱矩阵Rx来代替：

Rx＝E{x(θ)xH(θ} (5)

于是，式(4)便转化为式

若使声源的入射方向角θ为一定值θ₀，并将式(6)代入式(1)中，则得到基于MVDR算法的声场重构响应公式：

为便于求解阵列的声压响应在此通过MVDR波束输出功率进行计算,MVDR波束输出功率谱为：

结合式(4)、式(7)、式(9)可得

由式(9)得

在实际计算过程中，将某一声场平面离散成多个坐标点，将该声场平面称为重建面，即可根据式(10)计算出该重建区域中每一坐标点处的重构声压，进而得到重构的声压云图。