[发明专利]一种多球阵列多宽带声源快速定向方法

说明书

本发明公开的一种多球阵列多宽带声源快速定向方法，属于声源定向探测技术领域。本发明基于离散傅里叶变换，建立多球阵列声场的频率空间域模型；基于球傅里叶变换，构建多球阵列声场的球谐域模型；选择每一阶球谐阶数处模态强度最大值对应的球谐系数得到多球阵列融合后的球谐系数；去除球谐系数中和频率相关分量得到只包含角度相关分量的球傅里叶变换成分；构建球傅里叶变换成分的交叉谱，将球傅里叶变换成分或者其交叉谱进行分块，结合线性回归的方法得到传播算子的估计值；基于传播算子的估计值构建正交化的噪声子空间，利用信号和噪声相互正交得到波达方向的空间谱；扫描入射声源方向，空间谱中最大的峰值对应的声源方向即为声源的波达方向角。

技术领域

本发明涉及一种多宽带声源定向方法，尤其涉及一种基于多球阵列的多宽带源快速定向方法，属于声源定向探测技术领域。

背景技术

被动声探测技术是阵列信号处理应用中的重要发展方向之一，其主要任务是发现声源目标并确定声源波达方向(Direction of Arrival,DOA)，是目标探测的一个重要手段和技术分支。在很多实际的应用场合中多目标共存的情况较为普遍，同时声源信号频带较宽，不同信号所处频段可能不同。因此，要求被动声探测系统能够同时对多个宽带目标的方位角、俯仰角进行准确定向，进而估计目标位置。

通常的解决宽带信号定向估计的方法是把宽带信号转换为窄带信号再应用窄带信号的相关理论进行处理。该方法不但运算复杂，而且当各窄带频率范围内信噪比不同时，定向性能将会大幅下降。球形声压传感器阵列(Spherical Microphone Arrays,SMA)已被广泛应用于声场再现，波束形成和声源波达方向估计，其中最著名的高分辨率方法是基于球谐分解的多重信号分类算法(Spherical Harmonic Multiple Signal Classification,SH-MUSIC)。与传统的多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法相比，SH-MUSIC对三维空间中的DOA估计性能具有显著的提升。然而，当声压传感器数目很多时进行特征值分解获得特征向量需要消耗巨大的计算量。

发明内容

针对目前对多宽带声源信号定向中存在的运算复杂、定位精度不足的问题。本发明公开的一种多球阵列多宽带声源快速定向方法要解决的技术问题是，解决现有多宽带声源定向方法中存在的上述问题，进而提高声源定向方法的运算速度和定向精度；同时相比于现有的单球阵列定向技术，所设计的多球阵列可增加阵列可处理的声源信号的频带宽度，更有利于对宽带声源信号进行波达方向估计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种多球阵列多宽带声源快速定向方法，首先通过对多球阵列各阵元接收到的声场声压信号进行离散傅里叶变换获得声场的频率空间域模型；其次通过球傅里叶变换(Spherical Fourier Transform，SFT)将频率相关的分量和角度相关的分量相互解耦得到球谐系数，通过选择每一阶球谐阶数处的模态强度最大值对应的球谐系数获得多球阵列融合后的球谐系数；然后将球谐系数中和频率相关分量去除得到只包含角度相关分量的球傅里叶变换成分，构建球傅里叶变换成分的交叉谱，将球傅里叶变换成分或者其交叉谱进行分块，结合线性回归的方法得到传播算子的估计值；接着基于传播算子的估计值构建正交化的噪声子空间，利用信号和噪声相互正交得到波达方向的空间谱；最后扫描入射声源方向，空间谱中最大的峰值对应的声源方向即为声源的波达方向角。

本发明公开的一种多球阵列多宽带声源快速定向方法，通过将具有更宽的可处理频率范围的多球阵列和具有更快速的波达方向估计能力的正交传播算子方法(Orthonormal Propagator Method,OPM)相结合的方法，有效减小声源定向算法的运算量，提高定向精度，同时增加阵列可处理的声源信号的频带宽度。

所述的线性回归的方法使用最小二乘法。