基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法

本发明属于传声器阵列定向拾音，尤其涉及基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法。

背景技术：

1、大型传声器阵列相较于小型传声器阵列具有更强的空间分辨能力，和噪声去除能力，并被广泛应用于复杂环境中的定向拾音任务。然而实际应用中在大型传声器阵列上部署自适应波束形成器极为困难，主要有两个难点：其一，传声器个数的增加会导致协方差矩阵维数的增大，而自适应波束形成的求解需要求逆协方差矩阵，高维协方差矩阵的求逆会带来严重的计算负担，使自适应波束形成算法难以部署在一些运算资源有限的便携式平台；其二，在实际应用中不可避免的会存在导向矢量估计偏差或传声器失配等问题，而自适应波束形成器在出现导向矢量估计误差和传声器失配时会有较大程度的性能下降并存在目标信号自消现象。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法。

2、一种基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，所述方法包括：

3、步骤1)对传声器阵列接收的时域信号进行短时傅里叶变换，并使用取符号运算得到一比特接收信号；

4、步骤2)利用克罗内科积的性质将传声器阵列划分为两个虚拟子阵；

5、步骤3)初始化每个虚拟子阵的波束形成权向量及噪声协方差矩阵的估计；

6、步骤4)根据前一次迭代的噪声协方差矩阵的估计，更新每个虚拟子阵波束形成权向量；

7、步骤5)根据每个虚拟子阵波束形成权向量更新噪声协方差矩阵的估计；

8、步骤6)重复步骤4)和步骤5)，直至达到预设的最大迭代次数，转至步骤7)；

9、步骤7)使用达到最大迭代次数的每个虚拟子阵波束形成权向量合成最终波束形成权向量，并输出滤波结果。

10、作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

11、对传声器阵列接收的时域信号进行短时傅里叶变换，得到观测向量在第l帧第k个频谱分量y(k,l)：

12、y(k,l)＝h(k)s(k,l)+v(k,l)

13、其中，s(k,l)为目标语音信号的频谱分量，h(k)为目标声源到传声器阵列的导向矢量，v(k,l)为噪声向量；

14、对y(k,l)使用一比特模数转换器量化，得到一比特接收信号yob(k,l)：

15、

16、其中，sign(·)为符号函数，分别表示提取复数的实部和虚部，j表示虚部。

17、作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

18、根据远场导向矢量的特殊形式，将目标声源到传声器阵列的导向矢量h(k)分解为两个虚拟子阵导向矢量的克罗内科乘积，满足下式：

19、

20、其中，为克罗内科积运算，h1(k)为含有m1个传声器的第一虚拟子阵的远场导向矢量，h2(k)为含有m2个传声器的第二虚拟子阵的远场导向矢量；

21、将波束形成权向量w(k)拆分成两个虚拟子阵波束形成权向量的克罗内科积，满足下式：

22、

23、其中，w1(k)为第一虚拟子阵的波束形成权向量，w2(k)为第二虚拟子阵的波束形成权向量。

24、作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

25、使用一比特量化最小功率无偏响应波束形成器初始化两个虚拟子阵的波束形成权向量，得到第一虚拟子阵的波束形成权向量初值wob,1(k)：

26、

27、其中，rob,1(k)为第一虚拟子阵的一比特量化协方差矩阵，上角标h表示共轭转置；第二虚拟子阵的波束形成权向量初值wob,2(k)为：

28、

29、其中，rob,2(k)为第二虚拟子阵的一比特量化协方差矩阵；

30、根据下式得到波束形成权向量初值w0(k)为：

31、

32、w1,0(k)＝wob,1(k),w2,0(k)＝wob,2(k)

33、其中，w1,0(k),w2,0(k)分别为第一虚拟子阵的波束形成权向量初值和第二虚拟子阵的波束形成权向量初值；

34、根据下式得到噪声协方差矩阵的初始估计结果

35、

36、其中，p为自定义参数，范围为[0,2]，l为总帧数。

37、作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

38、根据下式得到第n次迭代波束形成权向量wn(k)为：

39、

40、其中，w1,n(k),w2,n(k)分别为第n次迭代第一虚拟子阵波束形成权向量和第二虚拟子阵波束形成权向量，满足下式：

41、

42、

43、其中，为第n-1次迭代第一虚拟子阵估计结果，为第n次迭代第二虚拟子阵估计结果，满足下式：

44、

45、

46、其中，分别为m2×m2和m1×m1的单位阵，为第n-1次迭代噪声协方差矩阵的估计。

47、作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：

48、使用第n次迭代波束形成权向量wn(k)更新第n次迭代噪声协方差矩阵的估计为：

49、

50、作为上述方法的一种改进，所述步骤7)具体包括：

51、当达到最大迭代次数n，根据第n次迭代波束形成权向量wn(k)，输出最终波束形成滤波结果为：

52、

53、与现有技术相比，本发明的优势在于：

54、1、本发明的方法将原始传声器阵列分解为两个虚拟子阵，有效降低了协方差矩阵的维度，降低了运算复杂度，同时提高了低快拍情况下自适应波束形成器的性能；

55、2、本发明基于一比特量化的噪声协方差矩阵估计方法在目标方向出现误差时仍具有较好的噪声协方差矩阵估计精度，并可显著提高自适应波束形成器的鲁棒性。

技术特征：

1.一种基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

3.根据权利要求2所述的基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

4.根据权利要求3所述的基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

6.根据权利要求4所述的基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

7.根据权利要求4所述的基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，其特征在于，所述步骤7)具体包括：

技术总结本发明公开了基于克罗内科分解的一比特量化大型传声器阵列拾音方法，方法包括：步骤1)对传声器阵列接收的时域信号进行短时傅里叶变换，并使用取符号运算得到一比特接收信号；步骤2)利用克罗内科积的性质将传声器阵列划分为两个虚拟子阵；步骤3)初始化每个虚拟子阵的波束形成权向量及噪声协方差矩阵的估计；步骤4)根据前一次迭代的噪声协方差矩阵的估计，更新每个虚拟子阵波束形成权向量；步骤5)根据每个虚拟子阵波束形成权向量更新噪声协方差矩阵的估计；步骤6)重复步骤4)和步骤5)直至达到预设的最大迭代次数；步骤7)使用达到最大迭代次数的每个虚拟子阵波束形成权向量合成最终波束形成权向量，并输出滤波结果。技术研发人员：郑成诗,孟维鑫,李晓东受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/17