[发明专利]近场线性约束最小方差自适应加权频率不变波束形成方法有效

专利信息
申请号: 201510532931.0 申请日: 2015-08-26
公开(公告)号: CN105223544B 公开(公告)日: 2018-01-12
发明(设计)人: 郭业才;陈小燕;顾亚健;禹胜林 申请(专利权)人: 南京信息工程大学
主分类号: G01S3/86 分类号: G01S3/86
代理公司: 南京经纬专利商标代理有限公司32200 代理人: 朱小兵
地址: 210044 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要: 发明公开了一种近场线性约束最小方差自适应加权频率不变波束形成方法,该方法基于线性约束最小方差准则,通过空间响应偏差函数定义阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵,并将该矩阵引入到近场线性约束最小方差波束形成方法中,得到了近场线性约束最小方差加权频率不变波束形成方法,再将近场线性约束最小方差加权频率不变波束形成方法中的加权系数定义为场点距离和信号频率的函数,具有动态特性并采用自适应原理进行更新。本发明方法在多通道语音增强、人机语音交互系统、助听器、车载免提语音通信、远程电视会议系统以及机器人听觉等诸多领域具有广泛的应用。
搜索关键词: 近场 线性 约束 最小 方差 自适应 加权 频率 不变 波束 形成 方法
【主权项】:
近场线性约束最小方差自适应加权频率不变波束形成方法,其特征在于,麦克风阵列的接收信号x(k)经过宽带自适应波束形成器得到频率不变波束y(k),y(k)=wHx(k),其中,H表示共轭转置,w=[w11,…,wM1,…,w1L,…,wML]T是麦克风阵列响应的权矢量,wML表示第M个麦克风通道第L个的权系数,T表示转置,k表示时间序列;xML(k)表示第M个麦克风通道第L个的接收信号,且x(k)=[x11(k),…xM1(k),…,x1L(k),…,xML(k)]T;麦克风阵列响应的权矢量为w=(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)‑1C(CH(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)‑1C)‑1F,其中,Rxx=E[x(k)xT(k)]为麦克风阵列的接收信号x(k)的自相关矩阵;C=[d0(r,f0),d1(r,f1),…,dn(r,fn),…,d(N‑1)(r,fN‑1)],为ML×N维约束矩阵,0≤n≤N‑1,N是频率个数;表示近场中场点距离为r、频率为fn时的麦克风阵列响应矢量,a(r,fn)表示为近场中场点距离为r、频率为fn时的空时二维导向矢量,D0(fn)表示频率为fn时麦克风阵列的延迟函数矢量,表示笛卡尔乘积,fn为信号的第n个频率;F为N×1约束值矢量,且fs是采样频率;RPS为空间响应偏差函数的平衡矩阵;α(rq,Ωn)为随场点距离rq、频率Ωn变化的动态加权系数,rq是近场中第q个场点到坐标原点的距离即场点距离,0≤q≤Q‑1,Q表示近场中选取的场点数,Ωn=fn/fs为归一化频率;麦克风阵列响应的权矢量w的获取步骤如下:步骤a):将线性约束最小方差波束形成问题表示为:其中,min表示取最小值;s.t.表示约束条件;步骤b):由步骤a)所述的线性约束最小方差波束形成问题,将线性约束最小方差波束形成方法的目标函数表示为L(w)=wHRxxw+λ(CHw‑F)式中,λ为1×N维拉格朗日乘子矢量;步骤c):将空间响应偏差函数表示为SRV=wHRPSw=wH[(1‑β)RP+βRS]w;式中,Ω为归一化频率域;Ωref表示参考频率;rFI表示频率不变的空间位置范围;SRV是表示近场中场点距离为rq、归一化频率为Ωn时的阵列响应矢量dn(rq,Ωn)与近场中场点距离为rq、参考频率为Ωref时的参考阵列响应矢量d(rq,Ωref)间偏差矢量的平方,当波束形成具有频率不变的空时二维响应时,SRV为零,此时信号能够无失真输出;空间响应偏差函数的平衡矩阵RPS=(1‑β)RP+βRS,其中,0<β<1是平衡频率不变性与阻带衰减的参数,rref为近场中参考点到坐标原点的距离即参考距离;RP为参考距离为rref、归一化频率为Ωn时的阵列响应矢量dn(rref,Ωn)与参考距离为rref、参考频率为Ωref时的参考阵列响应矢量d(rref,Ωref)间偏差矢量的矩阵,即RP=(d(rref,Ωn)‑d(rref,Ωref))H(d(rref,Ωn)‑d(rref,Ωref));RS是场点距离为rq、参考频率Ωref时的参考阵列响应矢量d(rq,Ωref)的矩阵,即RS=dH(rq,Ωref)d(rq,Ωref);步骤d):将步骤c)所述的空间响应偏差函数SRV引入到步骤b)所述的目标函数中,得到近场线性约束最小方差加权频率不变波束形成问题为minwwH(Rxx+αRPS)ws.t.CHw=F]]>其中,α是矩阵加权系数,是正常数;由近场线性约束最小方差加权频率不变波束形成问题,将近场线性约束最小方差加权频率不变波束形成方法的目标函数表示为LW(w)=wH(Rxx+αRPS)w+λ(CHw‑F),步骤e):将步骤d)所述的矩阵加权系数α修改为随场点距离rq、频率Ωn变化的动态加权系数α(rq,Ωn),则得到近场线性约束最小方差自适应加权频率不变波束形成方法的目标函数,即LAW(w)=wH(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)w+λ(CHw‑F),当目标函数LAW(w)对权矢量w的梯度时,即得w=(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)‑1Cλ,将其代入CHw=F,得λ=(CH(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)‑1C)‑1F,因此,麦克风阵列响应的权矢量w为w=(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)‑1C(CH(Rxx+α(rq,Ωn)RPS)‑1C)‑1F。
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