[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

说明书

本发明公开了一种主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统：采用4个传声器搭建小尺寸的圆形差分麦克风阵列，由单个传声器接收信号得到原点处的单极子，结合调向因子构造通过原点的两个偶极子，以及方向可调的偶极子；利用波束方向图控制参数线性组合单极子和方向可调的偶极子，构建主瓣波束指向可调的阵列响应。本发明实现了主瓣波束指向自动可调，特别适应于声源在一定范围内移动的场合，且在设备受限的情况下对声源信号进行拾取和放大，其结构简单、成本低、通用性强，具有较好的应用价值。

技术领域

本发明涉及麦克风阵列技术，特别是主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统。

背景技术

麦克风阵列方法，不仅能获取时域和频域的信息，还能获取目标信号声场的空域信息，从而同时进行时域、频域和空域的联合处理。因此麦克风阵列信号处理逐渐成为比较活跃而重要的研究方向。基于麦克风阵列的波束形成技术是麦克风阵列信号处理的一个重要方面，根据目标信号声场信息，设计阵列波束主瓣直接指向声源，能够有效的抑制噪声，达到语音增强的目的。

麦克风阵列波束形成受使用场景影响而具有一定的特殊性和复杂性，主要表现在：

1)麦克风阵列通常用于室内，而室内混响噪声会严重影响波束形成的性能；

2)传统的波束形成基于窄带模型，不适用于具有宽带性和非平稳性的语音信号；

3)在一些实际应用中，如智能机器人听觉、助听器等，受安装平台限制或系统设计要求，通常只能使用小尺寸的阵列，这种情况下，常规波束形成技术也不再适用；

4)在实际环境中，声源一般不固定，固定阵列波束方向会造成声源增强、噪音抑制局限在一个方向的问题。

以上因素的存在，使麦克风阵列在现实中的应用成为一个具有挑战性的课题。在噪声环境下，如何采用小尺寸阵列实现波束响应主瓣指向可调的麦克风阵列是目前音频和语音信号处理领域的难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服上述不足，提供主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计及系统。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：主瓣指向可调的差分麦克风阵列波束形成设计，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：