【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及麦克风阵列信号处理，具体涉及一种低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成方法及装置。
技术介绍
1、针对阵元数目较多的大型麦克风阵列，常用的波束形成技术包括固定波束形成技术和自适应波束形成技术。其中，固定波束形成技术实现简单、鲁棒性高，缺点是干扰和噪声的抑制能力不足。自适应波束形成技术常见的有最小方差无失真响应(mvdr)波束形成、线性约束最小方差(lcmv)波束形成、广义旁瓣消除(gsc)波束形成等，均具有较强的干扰抑制能力，但当阵元数较多时存在运算量大和鲁棒性差的问题，特别是阵元间失配和噪声协方差矩阵估计偏差甚至会导致性能恶化。人们也提出克罗内克积波束形成技术，以降低协方差矩阵的维度提高鲁棒性，但牺牲了自由度，可能造成性能下降。在实际应用中，大多数方案均需要额外使用噪声估计算法，低信噪比时估计精度变差，同样会降低鲁棒性。此外，现有克罗内克波束形成没有涉及适应任意阵列阵型基于帧进行处理的方案。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成方法及装置。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成方法，包括如下步骤：
4、步骤1、利用麦克风阵列中各个麦克风阵元的坐标信息和声源来波方向参数得到约束矩阵，麦克风阵列采集接收的时域信号通过分帧、加窗和短时傅里叶变换处理得到阵列频域帧信号；
5、步骤2、将步骤1得到的阵列频域帧信号和约束矩阵在
6、步骤3、设置多个级联广义旁瓣相消器，每个级联广义旁瓣相消器均包括两个前后级联的低维度的前级广义旁瓣相消器和后级广义旁瓣相消器，通过基于帧的迭代运算更新参数，获得各个支路的输出频域信息；
7、步骤4、融合各支路的级联广义旁瓣相消器的波束输出，得到多路级联广义旁瓣相消器的波束输出最优解；
8、步骤5、步骤4最终输出的频域输出信号经过短时傅里叶逆变换、加窗和组帧得到噪声干扰抑制和目标语音增强后的时域信号。
9、进一步地，步骤1的具体过程为：
10、记麦克风阵列由m个麦克风阵元组成，依次编号为1,2,...m,...,m,第m个麦克风阵元的空间位置坐标在三维笛卡尔坐标系中表示为rm＝[rx,m,ry,m,rz,m]t，t表示转置，同时已知目标声源的远场入射角度方位参数为其中θd和是目标声源d的俯仰角和方位角；设有j个干扰声源存在，第j个干扰声源的远场入射角度方位参数为θj和分别是第j个干扰声源的俯仰角和方位角，得到约束矩阵：
11、c(k)＝[v(k,ωd),v(k,ω1),…,v(k,ωj)]t, k＝0,1，2，…nfft/2 (1)
12、k是nfft点傅里叶变换的频点序号，v(k,ωd)和v(k,ωj)(j＝1,2,…j)分别是目标声源和干扰声源的导向矢量，利用麦克风阵元坐标和声源来波方向信息得到：
13、
14、其中，i表示虚数单位，κd和κj分别为目标声源和干扰声源的声源波数，c是声音在空间的传播速度，fk是频点k对应的频率值；
15、基于信号无失真准则下，阵列波束权值向量w要求满足chw＝g，g＝[1,0,…0]t为j+1维约束目标向量，c表示约束矩阵，h表示共轭转置；
16、麦克风阵列采集接收的时域信号经分帧、加窗和短时傅里叶变换得到的第l帧、第k个频点的阵列频域信号为x(k,l)＝[x1(k,l),…,xm(k,l),…,xm(k,l)]t。
17、进一步地，步骤2的具体过程为：
18、采用p个并行的交织处理器进行信号处理，交织处理器对阵列频域帧信号x(k,l)和约束矩阵c(k)进行交织重新排序，第p个支路的交织处理器对应的交织表为m＝ip(m')，则第p个支路的交织处理器交织输出的阵列频域帧信号为：
19、
20、交织输出的阵列频域帧信号向量xp(k,l)的第m'个元素取自输入的阵列频域帧信号向量x(k,l)的第m个元素；重新排序的交织输出约束矩阵为：
21、
22、为麦克风阵元m的空间位置坐标；
23、交织操作对约束矩阵的行进行重新排序，即对目标声源和干扰声源的导向矢量用对应的交织表进行了重新排序。
24、进一步地，步骤3的具体过程为：
25、3.1)支路p交织输出的阵列频域帧信号xp(k,l)和约束矩阵cp(k)被送入相应支路的级联广义旁瓣相消器，前级广义旁瓣相消器的输入为m1维，后级广义旁瓣相消器的输入为m2维，m＝m1×m2；
26、3.2)初始化后级广义旁瓣相消器的等效权值向量w2(k,l)＝w2(k,0)，这是一个m2维的复数系数向量，l＝0表示第0帧即初始值，采用延迟求和波束形成的权值作为初始值：
27、
28、3.3)利用w2(k,l)计算生成前级预处理矩阵其中符号表示克罗内克积运算，是m1维单位矩阵，因此q1(k,l)是一个m×m1维预处理矩阵，步骤2中交织输出的阵列频域帧信号xp(k,l)经前级预处理矩阵投影变换得到m1维频域信号向量：
29、
30、h表示共轭转置；
31、同时对交织输出的约束矩阵进行预处理得到前级广义旁瓣相消器的约束矩阵:
32、
33、3.4)前级广义旁瓣相消器对预处理得到的m1维频域信号向量进行权值优化和信号增强；
34、广义旁瓣相消器由主路上的固定波束形成器以及辅路上的阻塞矩阵和自适应噪声相消器三部分组成，主路上的固定波束形成器使目标信号通过并得到一定程度增强，固定波束权值向量位于约束子空间中，在主路上对输入的信号向量进行固定波束处理：
35、
36、其中，yf,p1(k,l)是支路p上的前级广义旁瓣相消器的主路上的固定波束输出，||·||2表示向量的l2-范数；
37、前级阻塞矩阵b1位于最小方差子空间内，阻止目标信号进入辅路，m1维频域信号向量送入辅路时通过阻塞矩阵得到包含噪声和干扰信息的向量up1(k,l)：
38、
39、将固定波束输出yf,p1(k,l)和阻塞矩阵输出up1(k,l)组成m1+1维输入向量送入自适应噪声相消器，自适应噪声相消器的权值向量是逐帧更新的，主路上的固定波束输出yf,p1(k,l)和辅路上的自适应噪声相消器输出ye,p1(k,l)之差为：
40、
41、采用多通道维纳滤波方法逐帧更新权值系数迭代计算公式可以表示为：
42、
43、其中，μ是一个调节系数，φs,p1(k,l)、φn,p1(k,l)和φsn,p1(k,l)分别是前级广义旁瓣相消器的信号协方差矩阵、噪声协方差矩阵和信号噪声互协方差向量，三者在每一帧中进行更新本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4的具体过程为：
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3.4)和3.6中，μ＝1.2，α＝0.02。
7.一种用于实现权利要求1-6任一所述方法的低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成装置，其特征在于，包括麦克风阵列、麦克风阵列信号处理器、信号融合处理器、信号增强处理器、多个交织处理器和多个级联广义旁瓣相消处理器，每个级联广义旁瓣相消处理器均包括有前后级联的前级广义旁瓣相消处理器和后级广义旁瓣相消处理器；每个级联广义旁瓣相消处理器的前级广义旁瓣相消处理器分别与一个交织处理器通信连接，每个交织处理器分别通信连接于麦克风阵列信号处理器，所述麦克风阵列与所述麦克风阵列信号处理器通信连接；每个级联广义旁瓣相
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述前级广义旁瓣相消处理器和后级广义旁瓣相消处理器均包括主路和辅路，所述主路包括固定波束形成器，所述辅路包括阻塞矩阵和自适应噪声相消器；所述阻塞矩阵由干扰滤波器构成。
...【技术特征摘要】
1.一种低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4的具体过程为：
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3.4)和3.6中，μ＝1.2，α＝0.02。
7.一种用于实现权利要求1-6任一所述方法的低复杂度级联广义旁瓣相消波束形成装置，其特征在于，包括麦克风阵列、麦克风阵列信号处理器、信号融合处理器、信号增强处理器、...
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