[发明专利]主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统

权利要求书

1.主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计，其特征在于，包括以下步骤：

1)音频信号由麦克风阵列采集，并经过模拟滤波器、放大器的调理；

2)对调理后的音频信号进行A/D采样，并经过FIR数字带通滤波的预处理；

3)根据四支麦克风音频信号建立空间坐标系。指定任意一个麦克风为M1，按照顺时针分别指定其他麦克风为M2，M3，M4。指定四个麦克风的中心为原点o，M1向M3的方向为x方向，M4向M2的方向为y方向。

4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应：

其中E_i为声音信号预处理模块输出的信号在麦克风阵列中的响应，t为时间，ω为声源信号角频率，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，p_xi、p_yi分别表示声音信号预处理模块输出的信号在x方向和y方向的声强分量，c为空气中的声速。

5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子：

其中为麦克风阵列的单极子，d为相邻麦克风距离，β为麦克风对夹角，β∈(0，90°)；

6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子：

其中为指向的偶极子，为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向，为调相因子；

7)对调向偶极子进行归一化：

其中为归一化后的调向偶极子，为积分因子，为幅度补偿因子；

8)将单极子和偶极子合成为麦克风阵列响应：

其中为麦克风阵列响应，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型。

2.主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，包括麦克风阵列、四通道音频小信号调理器、信号处理模块。

3.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：所述的麦克风阵列是麦克风对夹角为0～90°可调、相邻等距离的四个圆形全向性麦克风组成的麦克风阵列。

4.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：所述的四通道音频小信号调理器用于在输入端提供恒定电流用于麦克风工作，接收四路麦克风阵列的信号，对四路麦克风阵列接收的音频小信号进行噪音滤波，信号可控增益放大，信号可调直流偏置，并输出四路经过相同处理的信号。

5.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：所述的信号处理模块用于：

1)对调理后的音频信号进行A/D转换；

2)利用等波纹法设计FIR数字带通滤波器，对A/D转换后的数字信号进行噪声滤除；

3)根据麦克风声音信号采集模块建立空间坐标系；

4)根据空间坐标系计算每个麦克风的阵列响应；

5)根据每个麦克风的阵列响应构建麦克风阵列的单极子；

6)根据每个麦克风的阵列响应和调相因子构建调向偶极子；

7)对调向偶极子进行分帧加窗、FFT、归一化、IFFT、帧合并得到归一化的调向偶极子；

8)将单极子和归一化的调向偶极子合成为麦克风阵列响应：

其中为阵列响应主瓣指向方向，即声源目标方向，α为波束响应控制参数，0≤α≤1，其中α＝0.5时阵列响应形状为心形，0.5＜α≤1时阵列响应形状为亚心型，0≤α＜0.5时阵列响应形状为超心型，θ为声源与零点的夹角，φ为声源与x轴的夹角，β为麦克风对夹角。

6.根据权利要求2所述的主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成系统，其特征在于：选择使用北京声传声学公司的ZL-301阵列传声器作为四个圆形全向性麦克风；使用赛灵思公司的Zynq XC7Z010-CLG400作为主处理芯片，使用主处理芯片上集成的12位XADC实现A/D转换。