[发明专利]基于PSO‑MVDR的声场重构与鬼影抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种声场重构和鬼影抑制方法，该方法在有限空间、有限传声器个数的情况下，能够有效抑制声场重构过程中栅瓣和旁瓣带来的干扰，提高声场重构的精度。

背景技术

波束形成(Beamforming)是阵列信号处理的一个重要任务，其主要功能包括：形成基阵接收系统的方向性；进行空域滤波，抑制空间干扰与环境噪声，提高信噪比；估计信号到达方向，为信号源定位创造条件等。通过波束形成处理，可实现对声场声源的重构与定位。

声源识别的过程就是将重构声场空间离散成一系列的重构点，利用波束形成算法计算出重构点的重构声压值，绘制出声压云图，由图中热点的位置来判断声源位置。传声器阵列的声源识别效果与其结构形状，阵元数目及处理算法等因素决定。一个合适的传声器阵列能够抑制栅瓣和旁瓣，提高声源的辨识精度，提高声场的重构质量。在基于传声器阵列的声场重构研究中，前人搭建网格阵、十字阵、圆形阵等一些等间距的阵列来进行声场实测与分析。但等间距阵列有其固有缺陷，即：为了保证较小的主瓣宽度，提高声场重构分辨率，需要维持一个较大的阵列尺寸，使得相邻阵元的间距增加，并导致栅瓣的出现，极大地削弱了阵列的声场重构能力。针对等间距阵列重构能力的缺陷，有学者提出了利用不等间距阵列进行声场重构的方法。该方法通常是在等间距阵列的基础上，利用寻优算法，对阵元坐标分布进行优化设计，获得优化不等间距阵。不等间距阵能够抑制栅瓣^[8]，在一定程度上可提高声场重构的质量。但是，阵列中较大的旁瓣幅值依然会给真实声源的正确辨识带来干扰。针对上述问题，若能够通过阵列优化，实现对栅瓣的抑制，同时在此基础上运用有效地算法抑制较大旁瓣的产生，获得准确声场重构云图，实现鬼影抑制。本发明正是为了实现这一目的而产生的。

2012-09-19公开的专利：CN102680071A，题目：《采用振速测量和局部近场声全息法的噪声源识别方法》，发明人：杨德森。该发明提供的是一种采用振速测量和局部近场声全息法的噪声源识别方法。测量位于近场的有限孔径测量面上的法向质点振速，对其进行补零扩展，最后计算得到声源面上的声压和法向质点振速。该发明的特点是采用法向质点振速作为输入量进行声场重建，与传统迭代局部近场声全息法相比，该方法计算简单，效率较高。

2013-01-30公开的专利：CN102901950A，题目：《平面阵列识别声源三维坐标的方法》，发明人：卢奂采；李春晓；金江明；丁浩；梅东挺。该发明提供的是一种采用平面阵列识别定位声源三维坐标的方法。基于球面波声场模型,采用波束形成方法,以三维空间网格化后的网格交点作为重构点,进行不同距离的平面声场重构,比较沿距离方向(即z方向)上不同重构面的波束形成器的输出值,最大输出值对应的z轴坐标,即确定为声源的距离。最后根据声源距离对应的重构面上波束形成器输出的最大值点,确定声源在x和y轴坐标。该发明的优点在于可用二维的平面阵列,识别声源的三维坐标,可直接应用于现有的仅能识别声源两维坐标的平面阵列声全息设备上,实验已验证了该发明方案的有效性和可靠性。

本发明与现有发明专利的不同在于：将PSO粒子群算法与MVDR波束形成算法相结合，能够抑制声场重构中的鬼影，提高声场重构准确性。具体来说，该方法分为两步：首先，利用PSO算法对一个十字等间距传声器阵列的布局进行优化，获得阵元位置布局最优的不等间距阵列；在此基础上，对各阵元采集到的信号进行MVDR波束形成运算，获得声场重构云图。本发明结合了不等间距阵列抑制栅瓣和MVDR波束形成算法具有较强的空域滤波特性的优势，能够利用阵元数量较少的传声器阵列，实现声场重构中的鬼影抑制。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够有效抑制声场重构中鬼影现象的方法。该方法在有限空间、有限传声器个数的情况下，能够有效避免声场重构云图中栅瓣和旁瓣的存在，提高声场重构的声源辨识精度，实现鬼影的抑制。

本发明的技术方案是：一种基于PSO-MVDR的声场重构与鬼影抑制方法，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；