[发明专利]一种具有波束指向自校正能力的多项式结构波束形成器设计方法

说明书

本发明公开了一种具有波束指向自校正能力的多项式结构波束形成器设计方法，属于麦克风阵列波束形成器技术研究领域。所述方法分为两个阶段，第一阶段是滤波模块的离线设计阶段，利用离散样点优化求解非递归型滤波器的抽头权值，并获得调向角度样点对应的波束实际指向；第二阶段是调向模块的参数更新阶段，利用所得调向角度和实际指向的离散对应关系，通过多项式拟合的方法得到相应的连续非线性映射关系并更新调向模块。两阶段的结合实现了对波束指向的自校正。相比现有的技术，本发明提供的多项式结构波束形成器的波束图指向更准确，可以获得更好的波束形成器性能。

技术领域

本发明属于麦克风阵列波束形成器领域，特别涉及了一种具有波束指向自校正能力的多项式结构波束形成器设计方法。

背景技术

在实际应用中，为了使麦克风阵列接收有用信号并抑制其他方向的干扰，可以使用宽带波束形成器来实现空域滤波。经典的宽带波束形成器需要预先确定声源的方向，即期望波束指向，在此基础上设计波束形成器的权系数。但是在多人会议和人机交互等场景中，声源位置是不断变化的，若采用经典的宽带波束形成器则需要根据新的位置重新设计权系数，难以实现实时的波束指向调整。针对这一实际问题，可以使用具有波束指向实时可调特性的多项式结构波束形成器。

然而，现有的多项式结构波束形成器普遍存在波束指向误差较大的问题，尤其是在调向范围边缘处，从期望主瓣方向入射的信号可能会被波束形成器抑制，而从期望旁瓣方向入射的信号可能会被接收，造成波束形成器性能严重下降。这是因为多项式阶数是有限的，达不到理想的无穷阶，由此产生的截断误差使得波束实际指向与期望值之间存在偏差。不断增大多项式阶数从而使其更接近理想值可以改善这一情况，但这在实际操作中会带来其他问题。一方面，波束形成器设计中难以直接确定阶数多大时才可以将指向误差降低到较低水平；另一方面，每增大一阶意味着滤波器需要更多的抽头数，波束形成器规模将显著增大。

发明内容

为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明旨在提供一种具有波束指向自校正能力的多项式结构波束形成器设计方法，克服现有技术存在的缺陷，多项式结构的阶数较小时也能降低波束调向的误差，尤其是调向范围边缘处的误差，从而获得更好的指向性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种具有波束指向自校正能力的多项式结构波束形成器设计方法，包括以下步骤：

(1)利用离散样点设计多项式结构波束形成器滤波模块中的抽头权值；

(2)分别用调向角度样点控制调向模块，对所得波束图求解波束的实际指向，从而得到调向角度和实际指向的离散对应关系；

(3)对调向角度及其对应实际指向的离散样点进行多项式拟合，得到调向角度和实际指向的连续非线性映射关系；

(4)利用步骤(3)所得结果更新调向模块的参数。

进一步地，设计过程与具体的麦克风阵型无关，本方法适用于任意阵型；不需要增大多项式结构的阶数，在低阶的情况下也可以达到较好的波束调向效果。

进一步地，在步骤(1)中，在步骤(1)中，利用离散样点设计滤波模块中FIR滤波器的抽头权值，权值设计完成后便不再更改。

进一步地，在步骤(2)中，采用下式求解不同调向角度和频率上波束图的实际指向：

上式中，φ_i和f_p分别为调向角度和频率的离散样点，i＝1,...,I，p＝1,...,P；θ∈Θ为信号到达角度，Θ为角度变化范围；P(φ_i；f_p,θ)为调向角度为φ_i且频率为f_p时的波束图，ψ(φ_i,f_p)为波束图对应的实际指向，max{·}表示最大值。