一种SRP声源定位的快速实现方法技术

本发明专利技术公开了一种SRP声源定位的快速实现方法，首先求得Farrow结构波束形成器的最优权值；然后计算属于Farrow结构波束形成器SRP-PHAT的相位加权函数；接着计算属于Farrow结构波束形成器SRP-PHAT所有麦克风两两麦克风的广义互相关函数之和并进行锁存；再次将锁存后的输出信号与Farrow结构波束形成器扫描角度唯一有关的调向参数D进行乘积相加运算，得到相应扫描点的瞬时功率，搜索最大峰值得到对应的定位角度θr'；最后进行消除Farrow结构波束形成器的系统误差的校准，得最终θr。本发明专利技术相比原SRP-PHAT运算量降低；且对混响和噪声具有更高的鲁棒性、方位角估计精度也较高。

【技术实现步骤摘要】
一种SRP声源定位的快速实现方法
本专利技术涉及声源定位技术，特别是一种SRP声源定位的方法。
技术介绍
声源定位技术主要分为3大类，即基于最大可控响应功率的波束形成方法、采用高分辨率谱估计的方法和基于时延估计的两步定位方法。2002年，J.H.DiBiase(见文献[1]J.H.DiBiase.Ahigh-accuracy,low-latencytechniquefortalkerlocalizationinreverberantenvironments[D].ProvidenceRI,USA:BrownUniversity,2000和文献[2]谭颖,殷福亮,李细林.改进的SRP-PHAT声源定位方法[J].电子与信息学报,2006,28(7)：1223～1227.见文献[3]JacekP.Dmochowski.AGeneralizedSteeredResponsePowerMethodforComputationallyViableSourceLocalization.IEEEtransactionsonaudio,speech,andlanguageprocessing,VOL.15,NO.8,2007)提出了联合可控响应功率和相位变换(SRP-PHAT)的声源定位方法，该方法将可控响应功率方法固有的鲁棒性、短时分析特征与时延估计中相位变换方法对信号周围环境的不敏感性相结合，使声源定位系统具有一定的抗噪性、抗混响性。但是,SRP-PHAT方法运算量庞大，并且在恶劣环境下(噪声干扰大、混响影响严重)性能急剧下降，因此在实时处理和实际应用时变得困难。专利
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种SRP声源定位的快速实现方法，用于解决现有的SRP-PHAT方法运算量打且恶劣环境下性能差的技术问题。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种SRP声源定位的快速实现方法，包括如下步骤：步骤1、利用基于凸优化的波束指向可调的宽带稳健远场频率不变波束形成器算法得到Farrow结构波束形成器的最优权值，从而设计完成Farrow结构波束形成器；步骤2、利用Farrow结构波束形成器在调整波束指向时无需重新计算权值这个结构特征，将各麦克风阵列的输入信号进行FFT运算，根据不同麦克风以及输入信号的阶数将FFT运算后的输入信号进行两两相乘、求得相位加权函数；步骤3、将各麦克风阵列的输入信号输入至Farrow结构波束形成器中进行空域滤波，空域滤波后的输出信号进行FFT运算，根据不同麦克风以及输出信号的阶数将FFT运算后的输出信号进行两两相乘求得相位加权函数对应量，；步骤4、根据两个麦克风以及各自输入信号的阶数所确定的相位加权函数以及相位加权函数对应量为一组进行对应，将属于同一组的相位加权函数与相位加权函数对应量进行相乘，然后将相乘的结果进行IFFT运算之后并累加求和得到所有的麦克风中的两两麦克风的广义互相关函数之和并进行锁存；步骤5、将两两麦克风的广义互相关函数之和与扫描角度唯一有关的调向参数D进行乘积相加运算，得到相应扫描点的瞬时功率，搜索瞬时功率的最大峰值得到对应的指向角度θr'；步骤6、对Farrow结构波束形成器的系统误差进行校准，并将步骤5中获得的指向角度θr'校准为最终的定位角度θr。进一步的，在本专利技术中，所述步骤1的具体步骤为：基于凸优化的思想设计稳健波束指向可调的频率不变波束形成器，稳健的最大误差最小化的优化设计的代价函数：上面代价函数(4)式中包含从上往下的3个式子：第一个式子表示的物理含义是在主瓣范围内保证频率不变；第二个式子表示在旁瓣范围内需要对实际响应值小于一个上限值，达到使旁瓣范围内的能量谱尽量小的目的；第三个式子的目的在于保证在指定波束指向方向参考频率fr以及参考方向上的波束响应为1。代价函数(4)式中：g是导向量；Δg是导向矢量的误差；f是频率点；θ是波达方向；φ是波束指向角度；Ψ是预定义的可调方向范围；fk、θn分别表示离散的可调方向角度点、频率点以及波达方向角度点；fr是参考频率；Ω是感兴趣的频带范围；Ζ是预设的参数范围；Θp是主瓣角度范围；Θs是旁瓣角度范围；ε表示将导向矢量误差Δg的模值控制在ε值的界内；同理，η则表示其左侧的表达式的模值被认为控制在η值得界内；F是加权系数；wT是权值的转置；利用SeDumi软件对上式进行求解得出Farrow结构波束形成器的最优权值w。基于Farrow结构波束形成器始终只需一组固定的权值，通过调整调向参数D这一参数，即可实现波束指向实时调整，无需重新求解权值，这正是我们设计的Farrow结构波束形成器用于SRP声源定位法能够简化计算量的关键原因所在。所述步骤3中编号为j的麦克风阵元的输入信号经过Farrow结构波束形成器的空域滤波作用后输出信号yj为：(6)式中：M是Farrow结构波束形成器中的滤波器的阶数；并且有：(7)式中：xk(t)表示第k个麦克风阵元的输入信号，这里的n表示离散形式；wk,m表示最优权值w中的第k个麦克风阵元的第m阶滤波器的权值；K表示麦克风阵元的个数；根据Farrow波束形成器的结构，在这里Am是只要通过一次计算之后就可以直接锁存起来的数据。即输出信号yj只取决于调向参数D，即Am可被直接锁存，从而达到实时调整波束指向的目的。所述步骤2中，由Farrow结构波束形成器的SRP-PHAT方法的波束输出功率P(τ0,...,τK-1)定义为：(8)式中：这里P(τ0,...,τK-1)中的τk表示第k个阵元相对于参考阵元的时延差；为第k个麦克风接收到的输入信号xk(t)的傅里叶变换；为第l个麦克风接收到的输入信号xl(t)的傅里叶变换；是的共轭转置；且有：Di＝(θi-90°)/90°(11)这里i表示可调角度离散形式的每个离散点；多通道形式的PHAT的相位加权函数为：(12)式表述的含义：将每个麦克风阵元输入信号进行FFT运算之后再两两进行相乘、取模、求倒数一系列运算之后得相位加权函数。所述步骤4运算量降低的具体表现原理：令：(13)式中：(14)式子表示的含义是：第k个麦克风阵元、第m1阶FIR滤波器的输入信号经过空域滤波之后得到的输出信号将被锁存在的数据里。同理可解释(15)式中的这样很容易理解(13)式所表达的含义是：将锁存起来的数据即输入信号与权值进行卷积再进行FFT后两两相乘，再与相应的加权函数进行相乘，IFFT运算之后累加求和，可得所有麦克风两两麦克风的广义互相关函数之和并进行锁存在H里。这一系列的过程随着权值的形成一步完成并锁存下来，无需重新计算。所述步骤4中利用Farrow结构波束形成器特殊的结构优势，降低计算量的原理过程。所述步骤5中，按照Farrow结构波束形成器的结构图写出其瞬时功率：所述步骤5中按照Farrow结构波束形成器的结构图将调向参数D与已经锁存的输出数据结合起来，达到调向的目的。所述步骤5中，传统的SRP-PHAT与本专利技术的Farrow-SRP-PHAT运算量对比：假设传统的SRP-PHAT中的常规波束形成器有K个阵元、每个阵元有N个抽头、扫描点数为n′、信号序列长度为L点。复乘次数：n′*[N*K*L+K2*[(3/2)*L*log2L+3L]]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SRP声源定位的快速实现方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、利用基于凸优化的波束指向可调的宽带稳健远场频率不变波束形成器算法得到Farrow结构波束形成器的最优权值，从而完成Farrow结构波束形成器的设计；步骤2、将各麦克风阵列的输入信号进行FFT运算，根据不同麦克风以及输入信号的阶数将FFT运算后的输入信号进行两两相乘，求得相位加权函数；步骤3、将各麦克风阵列的输入信号输入至Farrow结构波束形成器中进行空域滤波，空域滤波后的输出信号进行FFT运算，根据不同麦克风以及输出信号的阶数将FFT运算后的输出信号进行两两相乘求得相位加权函数对应量；步骤4、根据两个麦克风以及各自输入信号的阶数所确定的相位加权函数以及相位加权函数对应量为一组进行对应，将属于同一组的相位加权函数与相位加权函数对应量进行相乘，然后将相乘的结果进行IFFT运算之后并累加求和得到所有的麦克风中的两两麦克风的广义互相关函数之和并进行锁存；步骤5、将两两麦克风的广义互相关函数之和与调向参数D做乘积并累加运算，得到相应扫描点的瞬时功率，搜索瞬时功率的最大峰值得到对应的指向角度θr'；步骤6、对Farrow结构波束形成器的系统误差进行校准，并将步骤5中获得的指向角度θr'校准为最终的定位角度θr。...

【技术特征摘要】
1.一种SRP声源定位的快速实现方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、利用基于凸优化的波束指向可调的宽带稳健远场频率不变波束形成器算法得到Farrow结构波束形成器的最优权值，从而完成Farrow结构波束形成器的设计；步骤2、将各麦克风阵列的输入信号进行FFT运算，根据不同麦克风以及输入信号的阶数将FFT运算后的输入信号进行两两相乘，求得相位加权函数；步骤3、将各麦克风阵列的输入信号输入至Farrow结构波束形成器中进行空域滤波，空域滤波后的输出信号进行FFT运算，根据不同麦克风以及输出信号的阶数将FFT运算后的输出信号进行两两相乘求得...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹明婕，陈华伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32