[发明专利]基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法

说明书

本发明公开了一种基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，该方法包括以下步骤：首先根据嵌入式平面麦克风阵列获取的实测数据进行波达时间差估计；之后利用波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风；然后基于选取的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正；最后根据校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，进而进行最小二乘方位角估计。本发明显著减小了嵌入式平面麦克风阵列最小二乘方位角估计偏差的统计均值与方差，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于嵌入式麦克风阵列声源测向领域，特别是一种基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法。

背景技术

麦克风阵列声源测向方法很多，包括高分辨谱估计、波束形成、波达时间差(TDOA)等。其中，麦克风间TDOA测量结合最小二乘(LS)估计的两级声源测向方法因实现复杂度低、环境适应性好等优点在各种实时声探测任务中得到广泛应用。因受外形设计、空间尺寸、使用运输等多种条件限制，图3所示的便携式枪声探测系统所用的麦克风阵列通常采用嵌入式安装方式，可能导致由于外壳遮挡而造成目标与某个或某些麦克风之间处于非通视(NLOS)状态。考虑到经过远距离传播后的枪声膛口波信号能量主要集中在数百Hz的低频范围，非通视麦克风受壳体衍射传播效应影响，相关麦克风间的实际TDOA不再与麦克风间距和目标位置保持理想全通视条件下的理论对应关系，进而造成基于LS测向方法的膛口波方向估计结果出现明显偏差。

有关非通视情况下的声源目标测向问题，许多文献主要关注声探测系统整体因障碍阻隔而无法直视声源目标时的解决方案，一般不涉及壳体遮挡对嵌入式阵列目标方向估计的影响及其处理方法。针对仅有部分非通视麦克风的情形，已有研究表明，采用球麦克风阵列声场模型能有效抑制衍射传播干扰、获得精确的声源目标方位估计。但基于模型的衍射传播效应抑制方法一般较为复杂，难以实时实现；同时受成本、结构、使用方式等制约，便携式枪声探测系统通常采用麦克风数很少的平面阵结构，很难严格满足均匀球形阵列甚至圆形阵列的模型要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对嵌入式平面麦克风阵列的声源测向误差，提供一种实时性高、易于实现、且测向较为精确的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于低秩及几何约束的嵌入式平面麦克风阵列声源测向方法，包括以下步骤：

步骤1、通过嵌入式平面麦克风阵列获取实测数据，并对实测数据进行波达时间差估计；

步骤2、利用步骤1中波达时间差估计值，根据波达时间的大小关系选择通视麦克风作为参考麦克风；

步骤3、基于步骤2中选择的参考麦克风构建波达时间差矩阵，进行施加低秩及几何约束条件下的凸优化校正；

步骤4、根据步骤3中校正后的波达时间差结果构建波达时间差向量，进而进行最小二乘方位角估计，完成嵌入式平面麦克风阵列声源测向。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明中通过选择距离声源最近的麦克风、施加低秩以及几何约束，降低了测向误差的均值及标准差，提高了测向精度及稳健性；2)本发明中选择距离声源最近的麦克风，尽可能避免了壳体遮挡对测向性能的影响；3)本发明采用反对称TDOA矩阵的低秩约束条件，抑制了实测TDOA的测量随机误差；4)本发明采用阵列形状的几何约束条件，抑制了壳体遮挡引起的衍射传播误差；5)本发明中将TDOA的校正转化为带约束条件的凸优化问题，利用拉格朗日乘子法求解凸优化问题的解析解，使得该方法的计算量较小，可满足系统的实时性需要，也降低了成本；6)本发明中通过将TDOA校正转化为带约束条件的凸优化问题，仅通过改变各矩阵的维数和几何约束的表现形式，就可针对性的推广到麦克风数量或阵列形状不同的其它麦克风阵列系统。

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

附图说明