[发明专利]低信噪比及混响环境下的自适应波束成形方法

权利要求书

1.一种低信噪比及混响环境下的自适应波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、基于声传声器阵列获取声场声压数据的步骤；

具体是指，在测量平面S_h利用按规则排布的M元传声器阵列，获取含有声源点且呈稀疏分布的声源面S_s；声源面S_s包括均分的R个区域，其中包括N个存在声源的区域；则规则分布的M元传声器阵列接受到的声压信号稀疏表示为：X(t)＝A·S(t)+N(t)；

式中，在某时刻t，X(t)表示M×1维传声器阵列接收信号；A是声源与测量传声器阵列间的M×N维传递矩阵；S(t)表示N×1维声源信号；N(t)表示M×1维噪声信号；

将均分声源面过程中得到的各网格线的每一聚焦点均视作一个潜在声源，则测量面上获得的声压即为单个声源源强与传递矩阵的乘积之和，数学表达式记作：p＝Gq；

式中：p表示传声器阵列测量面获得的声压，M×1维；G表示声源面与传声器阵列测量面之间的传递矩阵，M×N维；q表示声源源强，N×1维；且

r_mn表示第n个聚焦点与第m个阵元之间的距离，r_n表示第n个聚焦点与坐标原点之间的距离i为虚数单位，r_mn为声源面上的聚焦点到测量平面上的阵元之间的距离；

步骤B、基于镜像源法计算室内脉冲响应

具体是指，基于镜像源法构建室内混响镜像源模型，确定室内传声器阵列接收信号

式中y(t)为传声器阵列接收到的信号，h(t)为室内脉冲响应函数，x(t)为声源信号,n(t)为噪声信号，τ表示声波反射产生的延时量，*表示卷积运算；

对上式进行傅里叶变换转换至频域后得到Y(ω)＝X(ω)H(ω)+N(ω)；

由此构造室内脉冲响应函数

式中，β_x,1、β_y,1和β_z,1表示各方向上靠近坐标原点的墙壁的反射系数；β_x,2、β_y,2和β_z,2表示各方向上远离坐标原点的墙壁的反射系数；R_p表示实际声源或镜像声源到各阵元的距离；R_r表示多阶反射对应的虚拟空间尺寸；U为声速；Q₁、Q₂、Q₃分别取0或1故R_p可取8种位置；

将室内脉冲响应函数转换到频域有：

对于实际声源点坐标(x,y,z)，传感器阵元坐标(x’,y’,z’)，有：

R_p＝(x-x′+2Q₁x′,y-y′+2Q₂y′,z-z′+2Q₃z′)R_r＝2(n_xL_x,n_yL_y,n_zL_z)

式中：n_x,n_y,n_z是与反射阶数相关的整数；

步骤C、计算声压互谱矩阵的步骤；

声压互谱矩阵C表达式为：C＝pp^H＝Gqq^HG^H；H是指共轭处理；G为传递矩阵G；当声源为非相干声源则对qq^H中的非对角线元素进行简化，qq^H简化为则声压互谱矩阵C表达式为进一步表示为：式中：g_n为传递矩阵G中的对应列向量；

步骤D、计算点传播函数的步骤；

基于互谱函数的传统波束成形输出结果为：b＝ω^HCω＝ω^Hpp^Hω；

其中，b表示各聚焦点输出的声功率，ω表示导向向量，ω＝[ω₁，ω₂…ω_M]，得到

基于前述内容，得到点传播函数声源面声功率

步骤E、原信号重构的步骤

1)初始化稀疏度K₀＝1，初始化稀疏度估计步长L＝s，s为搜索步长；支撑集F＝φ，φ为空集；

2)计算残差与传感矩阵每列乘积得到相关系数矩阵u＝{u_j|u_j＝|r,φ_j|,j＝1,2,…N}，其中j为传感矩阵的第j列，r为残差；

从相关系数矩阵中提出K₀个最大值对应的索引值存入F中；

3)基于压缩感知前提条件之一的约束等距性条件，如果则自适应稀释度K＝K₀+L，转步骤(2)；

式中，y是指声传感器阵列测得的声场数据；δ_K是介于0到1之间的常数，δ_K＝0.3；T是指转置矩阵；其中Φ是指压缩感知中的传感矩阵；

若则到步骤4；

4)利用最小二乘法求解初始余量

5)初始估计信号x＝0，初始化阶段数stage＝1，初始化迭代次数k＝1，初始化索引值集合S＝φ，候选集C＝φ；

6)利用式u＝{u_j|u_j＝|r,φ_j|,j＝1,2,…N}计算新的相关系数矩阵，并按照u_j≥0.5max|u|的标准将对应的索引值存入索引集S中；

7)合并索引值集合T＝F∪S，利用式u＝{u_j|u_j＝|＜r,φ_j＞|,j＝1,2,…N}计算T中索引值对应原子与余量的相关系数，并提取出K₀个最大值对应的索引值存入F_new中，基于最小二乘法采用式计算估计信号x_new，并利用r_new＝y-Φ_Fx更新余量；

8)计算两次迭代间的误差并判断是否小于指定误差，若两次迭代间的误差||x_new-x||₂≤ε，则停止迭代，否则转步骤(9)，ε是指指定误差，x是指前次误差值；

9)若||r_new||₂≥||r||₂，则阶段数加1，stage＝stage+1，L＝stage*s并跳转步骤(6)；若||r_new||₂＜||r||₂，则F＝F_new，r＝r_new，k＝k+1，转步骤(6)；

停止迭代后输出最新得到的估计信号x_new；算法迭代完毕输出结果后，得到最终想要获得的波束数据。