一種麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法及系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)麥克風(fēng)基礎(chǔ)上，在信號(hào)采集與處理過程中將壓縮感知理論應(yīng)用于接受信號(hào)處理，具體方法是將接收信號(hào)向低維測(cè)量矩陣投影，獲取比奈奎斯特采樣定理所需測(cè)量數(shù)據(jù)量更少的測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合接收信號(hào)在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的稀疏形式構(gòu)建重構(gòu)矩陣之后，最后運(yùn)用壓縮感知信號(hào)重構(gòu)方法優(yōu)化求解目標(biāo)接受信號(hào)參數(shù)。一方面該方法可降低信號(hào)的采樣率，同時(shí)有效緩解硬件對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸?shù)膲毫?；另一方面?duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，可以提取到接受信號(hào)最本質(zhì)的特征，可以達(dá)到去除噪聲的效果，提高裝置的精確度。
【專利說明】
-種麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法與系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及陣列信號(hào)處理中的波達(dá)方向估計(jì)方法，屬于電聲技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及 一種基于壓縮感知對(duì)麥克風(fēng)陣列進(jìn)行接收信號(hào)處理的方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的日趨成熟，麥克風(fēng)陣列正逐步應(yīng)用于視頻會(huì)議、 大型舞臺(tái)、語音識(shí)別W及智能監(jiān)控等語音信號(hào)處理系統(tǒng)中。在運(yùn)些語音信號(hào)處理系統(tǒng)當(dāng)中， 麥克風(fēng)陣列的作用不僅僅限于語音采集，它還可W對(duì)采集到的語音信號(hào)進(jìn)行包括定位、語 音識(shí)別、空域?yàn)V波、語音增強(qiáng)等在內(nèi)的各種操作。但是，若采用傳統(tǒng)的單麥克風(fēng)是根本無法 實(shí)現(xiàn)和發(fā)展上述多種功能的，運(yùn)時(shí)候就需要采用麥克風(fēng)陣列。所謂麥克風(fēng)陣列，即將多個(gè)麥 克風(fēng)排列成線形、圓形等幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各種陣列，其相較于單個(gè)傳感器有兩個(gè)顯著的優(yōu) 勢(shì):第一、通過陣列對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?，相?duì)于單個(gè)傳感器，聲傳感器陣列能 提升N倍的信噪比，其中N是傳感器陣元數(shù);第二、通過調(diào)整傳感器陣列的相關(guān)參數(shù)就可旋轉(zhuǎn) 發(fā)送或接收波束方向，因此，聲傳感器陣列可W產(chǎn)生或分辨出不同方向的信號(hào)。即麥克風(fēng)陣 列通過增加空間域，不僅對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析處理，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)位于不同 方位的空間信號(hào)進(jìn)行空、時(shí)聯(lián)合處理，使其具有了定位跟蹤和空域?yàn)V波的特性?；邴溈孙L(fēng) 陣列的目標(biāo)方位估計(jì)就是將多個(gè)麥克風(fēng)按照一定的規(guī)則組成各種陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)獲取的信號(hào) 結(jié)合語音信號(hào)處理技術(shù)和陣列信號(hào)處理技術(shù)及算法進(jìn)行預(yù)處理和空、時(shí)聯(lián)合處理，從而對(duì) 說話人在空間所處的位置信息進(jìn)行估計(jì)，比如:距離、方位角和俯仰角等參數(shù)。在一個(gè)已知 空間中對(duì)未知的聲源目標(biāo)進(jìn)行方位估計(jì)是一項(xiàng)有著長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的研究方向，基于聲傳感器陣 列的方位估計(jì)方法作為麥克風(fēng)陣列信號(hào)處理的基礎(chǔ)，其在語音信號(hào)處理技術(shù)中定位跟蹤扮 演著極其重要的角色。
[0003] 在陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域中，方位(Direction of Arrival ,D0A)估計(jì)方法是對(duì)信 源或者目標(biāo)進(jìn)行空間定位的主要手段，也一直是通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)和偵察等領(lǐng)域的一個(gè) 重要的研究課題，因此該技術(shù)的研究對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程、聲納、W及雷達(dá)等多項(xiàng)國(guó)防W及民用 建設(shè)領(lǐng)域都具有十分重要的意義。然而，在傳統(tǒng)的DOA估計(jì)算法中，基于信號(hào)子空間的算法 往往需要較多的陣列快拍數(shù)來獲得觀測(cè)信號(hào)并對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行充分采樣統(tǒng)計(jì)，運(yùn)些對(duì)信 源或目標(biāo)要有一定的觀測(cè)周期。同時(shí)運(yùn)一類算法在信源相關(guān)性較高、較低信噪比的場(chǎng)合，其 DOA估計(jì)的性能將明顯下降。
[0004] 在DOA估計(jì)所采用的陣列信號(hào)模型中，一般假設(shè)在我們感興趣的空域范圍內(nèi)只存 在少數(shù)的目標(biāo)點(diǎn)。如果將整個(gè)空域范圍內(nèi)不是目標(biāo)的角度處看成是幅度為零的目標(biāo)，則不 同角度對(duì)應(yīng)的目標(biāo)幅度就構(gòu)成一個(gè)稀疏信號(hào)，即只有少數(shù)系數(shù)是不為零的。我們就可W利 用空域的稀疏性使信號(hào)稀疏重建算法應(yīng)用于空間譜估計(jì)成為可能。運(yùn)樣為DOA估計(jì)問題的 求解提供了新的理論依據(jù)。作為新興的研究方向，W壓縮感知理論為基礎(chǔ)的稀疏信號(hào)重構(gòu) 算法的研究獲得了越來越多關(guān)注和重視。W壓縮感知為理論基礎(chǔ)，利用待重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行稀 疏表示，在一定條件下，W低于信號(hào)帶寬的頻率進(jìn)行采樣，運(yùn)樣只需要少量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，就 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的重構(gòu)。該類算法主要是從解線性觀測(cè)方程類進(jìn)行考慮的。當(dāng)我們將 該類算法應(yīng)用于方位估計(jì)時(shí)，需要將傳統(tǒng)的陣列信號(hào)模型表示成有稀疏性的線性信號(hào)模 型，運(yùn)對(duì)應(yīng)于一種非參數(shù)的方位估計(jì)方式。因此，利用稀疏信號(hào)重構(gòu)算法進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)DOA 估計(jì)，其不僅具有可適用性，而且對(duì)于稀疏信號(hào)重構(gòu)方面的研究具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法與系 統(tǒng)，在傳統(tǒng)麥克風(fēng)裝置對(duì)接收信號(hào)濾波的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀疏重構(gòu)，從根本上 實(shí)現(xiàn)去噪，W提取目標(biāo)接收信號(hào)最本質(zhì)的特征，降低采樣頻率，提高裝置聲源定位的準(zhǔn)確 性，降低對(duì)硬件需求。
[0006] 本發(fā)明的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法，包括步驟：
[0007] (1)在分?jǐn)?shù)階傅里葉域，構(gòu)建測(cè)量矩陣? ;
[0008] (2)利用所述測(cè)量矩陣O對(duì)麥克風(fēng)陣列的接收信號(hào)Sr(t)進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量信號(hào) Y(n)(U);
[0009] (3)根據(jù)所述測(cè)量信號(hào)Y^(U),利用稀疏重構(gòu)算法重構(gòu)出稀疏接收信號(hào)；
[0010] (4)采用平滑Io范數(shù)法對(duì)所述稀疏接收信號(hào)進(jìn)行求解，得出重構(gòu)信號(hào)；
[0011] (5)對(duì)所述重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化求解；
[0012] (6)對(duì)所述步驟(5)中解出的重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行解算，得到包括聲源個(gè)數(shù)、聲源位置在 內(nèi)的目標(biāo)信息。
[0013] 進(jìn)一步的，測(cè)量矩陣O是N X N維分?jǐn)?shù)階傅里葉變換矩陣學(xué)和M X N維高斯隨機(jī)測(cè)量 矩陣e的乘積，印
[0014] 進(jìn)一步的，所述測(cè)量信號(hào)
為每個(gè)信號(hào)接 收點(diǎn)處的接收信號(hào)，（U)代表在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域，nW(u)表示在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的 噪聲混響。
[0015] 進(jìn)一步的，重構(gòu)的稀疏接收信號(hào)為
?其中 I-II/。表示Io-范數(shù);||，||/^表示b-范數(shù);S. t.表示使得滿足的條件;0表示預(yù)設(shè)的噪聲存在時(shí)優(yōu) 化收斂的口限值。
[0016] 進(jìn)一步的，所述步驟(5)中采用循環(huán)迭代算法求出所述重構(gòu)信號(hào)的最優(yōu)稀疏解 (U)。
[0017] 本發(fā)明中的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)，包括麥克風(fēng)陣列、控制所述麥克風(fēng)陣列 接收信號(hào)的接收開關(guān)，W及對(duì)所述麥克風(fēng)陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行處理的控制器，所述控制 器包括
[0018] -接收模塊:包括電連接的模擬預(yù)處理放大器與濾波器，所述模擬預(yù)處理放大器與 所述接收開關(guān)電連接；
[0019] -信號(hào)采集與處理模塊:包括DSP處理器、對(duì)應(yīng)所述DSP處理器的Flash閃存、中央邏 輯控制器和存儲(chǔ)器，所述DSP處理器與所述中央邏輯控制器通過總線接口與所述存儲(chǔ)器電 連接；
[0020] -嵌入式工控機(jī)：用于對(duì)所述系統(tǒng)進(jìn)行工作參數(shù)和控制命令的設(shè)置，通過PCI接口 控制器與所述信號(hào)采集與處理模塊通訊；
[0021] -顯示器:與所述嵌入式工控機(jī)電連接，用來顯示聲源的目標(biāo)位置信息；
[0022] -電源模塊:用來對(duì)所述系統(tǒng)進(jìn)行供電。
[0023] 進(jìn)一步的，所述電源模塊包括對(duì)所述系統(tǒng)供電的蓄電池、W及為所述蓄電池充電 的太陽能電池。
[0024] 進(jìn)一步的，所述麥克風(fēng)陣列為由六個(gè)麥克風(fēng)均勻組成的圓形陣列。
[0025] 借由上述方案，本發(fā)明至少具有W下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀疏處理， 降低了對(duì)DSP處理器等硬件的存儲(chǔ)壓力和計(jì)算能力的要求，不用像傳統(tǒng)多波束裝置那樣專 用一個(gè)采集控制DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的采集控制，節(jié)約了裝置的成本，降低信號(hào)的采樣率和 探測(cè)時(shí)間；另一方面對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，可W提取到接收信號(hào)最本質(zhì)的特征，從根本 上實(shí)現(xiàn)去噪，提局精確度從而提局聲源定位的準(zhǔn)確性。
[0026] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予W實(shí)施，W下W本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0027] 圖1是麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)的原理框圖；
[0028] 圖2是麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)的電路原理圖；
[0029] 圖3是麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法的說明示意圖；
[0030] 圖4是麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。W下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0032] 如圖1所示的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)的原理框圖，整個(gè)系統(tǒng)主要由W下幾個(gè) 部分組成：
[0033] 麥克風(fēng)陣列、接收開關(guān)和控制器，控制器包括接收模塊、信號(hào)采集與處理模塊、嵌 入式工控機(jī)、顯示器W及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電的電源模塊。將嵌入式工控機(jī)和顯示器W及信號(hào) 采集與處理模塊相連，接收模塊與接收開關(guān)連接，接收開關(guān)與麥克風(fēng)陣列單向連接。整個(gè)系 統(tǒng)放在試驗(yàn)平臺(tái)上，打開接收開關(guān)，系統(tǒng)接收信號(hào)，通過麥克風(fēng)陣列與空間進(jìn)行交互，嵌入 式工控機(jī)為接收模塊提供一些工作參數(shù)和控制命令，運(yùn)些參數(shù)和命令可W通過按鈕或者選 擇鍵進(jìn)行設(shè)置，工作參數(shù)包括發(fā)射探測(cè)信號(hào)的周期等，控制命令包括:開始、暫停、和停止命 令，運(yùn)些參數(shù)和命令傳給信息采集與處理模塊處理，顯示器通過一些顯示方式實(shí)時(shí)地顯示 嵌入式工控機(jī)最終傳來的聲源位置信息。
[0034] 本發(fā)明的工作原理為：
[0035] 將本發(fā)明的安裝在機(jī)器人平臺(tái)上，麥克風(fēng)陣列平面水平放置。開始進(jìn)行聲源目標(biāo) 方位估計(jì)時(shí)，接通整個(gè)系統(tǒng)的電源，在嵌入式工控機(jī)上設(shè)置輸入工作參數(shù)和控制命令，然后 啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)開始工作。目標(biāo)發(fā)出聲波信號(hào)，麥克風(fēng)陣列把接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 傳送給接收模塊，接收模塊把接收信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理W后信號(hào)送至信號(hào)采集與處理模 塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，獲得相應(yīng)的目標(biāo)位置信息，并由PCI接口控制器傳給嵌入式工控 機(jī)，最終在顯示器上顯示觀測(cè)到的目標(biāo)位置信息，運(yùn)些信息都將存入存儲(chǔ)器中。
[0036] 根據(jù)上述功能描述，如圖2所示的本發(fā)明的電路原理圖：
[0037] 接收模塊由模擬預(yù)處理放大器和濾波器組成，對(duì)接收到的接收信號(hào)進(jìn)行放大和濾 波處理，其中模擬信號(hào)預(yù)處理放大器具有高輸出阻抗低、輸出阻抗和很高的增益帶寬積，同 時(shí)還具有極低的噪聲，它通過對(duì)前端匹配電路與換能器基陣進(jìn)行阻抗匹配，從而無失真的 接收目標(biāo)接收信號(hào);濾波器主要是濾除噪聲，提取一定頻帶的目標(biāo)信號(hào)。
[0038] 信號(hào)采集與處理模塊由DSP處理器、與對(duì)應(yīng)的Flash閃存，還有相應(yīng)的總線接口、中 央邏輯控制器、存儲(chǔ)器和PCI接口控制器。其中DSP處理器為實(shí)現(xiàn)稀疏處理的DSP;將相應(yīng)的 算法如稀疏和解算算法存儲(chǔ)到Flash閃存中；總線接口實(shí)現(xiàn)嵌入式工控機(jī)與DSP處理器訪問 存儲(chǔ)器的信號(hào)的切換，避免了總線的沖突；中央邏輯控制器用于提供系統(tǒng)的同步信號(hào)，使整 個(gè)系統(tǒng)有序、穩(wěn)定的運(yùn)行，W及數(shù)據(jù)傳輸，存儲(chǔ)的時(shí)序邏輯和讀寫邏輯。信號(hào)采集和處理模 塊主要是對(duì)接收模塊接收到的信號(hào)進(jìn)行壓縮采集、稀疏表示、信號(hào)重構(gòu)與信息的解算等處 理，從而獲取目標(biāo)聲源的位置信息，然后將獲得的信息傳給嵌入式工控機(jī)，顯示器上顯示出 目標(biāo)位置信息，并將運(yùn)些信息存入存儲(chǔ)器中。
[0039] 嵌入式工控機(jī)是整個(gè)裝置的核屯、模塊，控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作運(yùn)行情況，它具有 低功耗且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可W為整個(gè)系統(tǒng)提高穩(wěn)定的工作環(huán)境，節(jié)能省電。
[0040] 顯示器用來顯示最終的目標(biāo)位置信息，工作人員可W通過顯示的信息進(jìn)行參考分 析。
[0041] 電源模塊主要是蓄電池和太陽能電池，蓄電池的作用是為系統(tǒng)提供工作時(shí)所需的 電源，太陽能電池的作用是提供能源，保持系統(tǒng)持續(xù)工作。
[0042] 麥克風(fēng)陣列采用能量轉(zhuǎn)換聲學(xué)器件，進(jìn)行聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換，麥克風(fēng)陣列的作用是接 收目標(biāo)發(fā)出的聲波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。本系統(tǒng)采用的是六個(gè)麥克風(fēng)均勻組成的圓 形陣列，通過接收開關(guān)使系統(tǒng)接收信號(hào)W開始工作。
[0043] 圖3給出了基于壓縮感知的麥克風(fēng)陣列的接收信號(hào)處理方法說明示意圖。
[0044] 步驟1:在分?jǐn)?shù)階傅里葉域，構(gòu)建測(cè)量矩陣。具體說明如下：
[0045] 麥克風(fēng)陣列接收信號(hào)，其中系統(tǒng)噪聲和各種混響都考慮進(jìn)去，本發(fā)明對(duì)接收信號(hào) 進(jìn)行測(cè)量所用的MXN維測(cè)量矩陣(6是NXN維分?jǐn)?shù)階傅里葉變換矩陣I；巧日MXN維高斯隨機(jī) 測(cè)量矩陣0的乘積，即
樂數(shù)階傅里葉變換矩陣可W表示如下：
[0046]
[0047] 其中a = arccot(-2地r)，Kr表示分?jǐn)?shù)階傅里葉變換核，p，q=l，. . .N，At為奈奎斯 特采樣率下的采樣間隔，為奈奎斯特采樣率的倒數(shù)，N為W奈奎斯特采樣率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行 測(cè)量所需要的測(cè)量數(shù)量的點(diǎn)數(shù)，測(cè)量數(shù)量M由稀疏度K決定，K在本方法中表征目標(biāo)數(shù)目的稀 疏度，同時(shí)，測(cè)量數(shù)量M滿足K<M< <N。
[0048] 分?jǐn)?shù)階傅里葉變換對(duì)接收信號(hào)具有很好的能量聚集特性，因?yàn)樵肼暤哪芰烤鶆虻?分布在整個(gè)時(shí)-頻面內(nèi)，在任何的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域上不會(huì)出現(xiàn)能量聚集，所W用分?jǐn)?shù)階 傅里葉變換矩陣作為測(cè)量矩陣即投影矩陣，對(duì)信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，對(duì)提高該轉(zhuǎn)置的精度具 有很大的幫助。
[0049] 步驟2:在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域上對(duì)接收信號(hào)Sr(t)進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量信號(hào) (U)。具體說明如下：
[0050] 將目標(biāo)假設(shè)為點(diǎn)目標(biāo)，獲得每個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)處的接收信號(hào)為礦'如），其中(n)表示 第n個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)，n=l，...，N，N為信號(hào)接收點(diǎn)數(shù)目。采用測(cè)量矩陣對(duì)每個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)處的 接收信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，第n個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果Y^(U):
[0化1 ]
[0052] 其中（U)代表在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域，nW(u)表示在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的噪聲 混響。
[0053] 步驟3:根據(jù)壓縮感知理論對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀疏重構(gòu)，具體說明如下：
[0054] 根據(jù)步驟2獲得的測(cè)量信號(hào)Y^(U),n=l，...，N，然后接下來就對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行稀 疏重構(gòu)：
[0化5]
[0化6]其中II.II/。表示1。-范數(shù);ll.ll。表示1廠范數(shù);S. t.表示使得滿足的條件;0表
[0057]示預(yù)設(shè)的噪聲存在時(shí)優(yōu)化收斂的口限值。
[005引步驟4:采用平滑Io范數(shù)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，具體說明如下：
[0059] 由于上式重構(gòu)算法求解為NP-hard問題，所W本發(fā)明對(duì)于S^(U)重構(gòu)的算法采用 平滑Io范數(shù)求解，平滑Io范數(shù)法用連續(xù)的高斯函數(shù)來逼近高度不連續(xù)的Io范數(shù)，即為求解下 式所示問題：
[0060]
[0061] 其中需定義一個(gè)高斯函數(shù)如下式所示：
[0062]
[006；3]其中 S(D)(U) eC，C 表示復(fù)數(shù)集，且為 S(D)(U) = [S(i)(u)S(2)(u)...S(N)(u)]T 列矢量 中的一個(gè)元素，ne[lN]，〇為逼近參數(shù)。
[0064]當(dāng)時(shí)，函數(shù)的取值取決于矢量的值，并且分別逼近于某一個(gè)值，如下式所示：
[00 化]
[0066] 上式表明，隨著O一0,當(dāng)SW(U)=O時(shí)函數(shù)^(SW(U))逼近1;當(dāng)SW(U)辛0函數(shù)f〇(S W(U))逼近0。同時(shí)上式也可W改寫成如下所示：
[0067]
[006引由Io范數(shù)原理可知，此時(shí)當(dāng)0一0時(shí)，l-f^S^U))的函數(shù)值是對(duì)Io范數(shù)的一個(gè)凹逼 近，并且函數(shù)值隨著O值的減小變得更為睹峭，對(duì)Io范數(shù)凹逼近的效果也就越好，當(dāng)O值很小 時(shí)(如O = 0.01)，函數(shù)值接近Io范數(shù)。
[0069] 此時(shí)，再定義如下函數(shù)：
[0070]
[OOW 其中，當(dāng)。一0時(shí)，有MsW I Io S N-Fo(SW)近似成立。
[0072] 此時(shí)上述所述信號(hào)重構(gòu)問題可W改寫如下式所示：
[0073]
[0074] 運(yùn)樣最小化Io范數(shù)問題就等價(jià)于當(dāng)O充分小時(shí)的最大化Fn(sW(u))問題。
[0075] 步驟5:對(duì)于重構(gòu)的信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化求解，得出最逼近原始信號(hào)的重構(gòu)信號(hào)。具體說 明如下：
[0076] (1)、首先對(duì)參數(shù)O進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于O的初始值，選擇
獅臺(tái) 化
的值。然后采取逐步減小O的方法，即選取O序列，O序列的減小 速度為P，則o = PO，其中PE [0.5,1.0]。
[0077] (2)、對(duì)每個(gè)。值在可行解集SW(U) = ^W(U) I OsW(U)=YW(U)I上利用迭代提 升的方法求得Fn(SW(u))最大值，迭代提升方法是一個(gè)循環(huán)迭代算法。
[0078] 具體循環(huán)迭代步驟如下：
[0079] (1)令 〇 = 〇1。
[0080] (2)令
，其中設(shè)置A=I。
[00川 （3)將S-(")投影到可行解集SW(U) = ^W(U) I OsW(U)=YW(U)I上，得出如下式 子：
[0082]
[0083] 貝 lJ〇 = p〇。
[0084] (5)循環(huán)步驟(2)至巧），直至I On-On-I I <0.001，此時(shí)得到F^sW(U))的值即為最大 值。
[0085] (S)S^(U)則由argmaxF^sWU))公式推導(dǎo)出來，此時(shí)SW(U)即為信號(hào)的最優(yōu)稀 疏解；
[0086] 步驟6:最終求解出重構(gòu)信號(hào)SW(U),
[0087] 求解出滿足條件的作為在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的重構(gòu)結(jié)果，然后將重構(gòu)出的結(jié)果 S^(U)信號(hào)傳給DSP處理器進(jìn)行信息解算，解算得出所需的目標(biāo)信息，如目標(biāo)存在與否，目 標(biāo)的個(gè)數(shù)和方位等信息。
[0088] 圖4給出了本發(fā)明的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)的工作流程圖：
[0089] 步驟1:在嵌入式工控機(jī)上通過按鈕或者選擇鍵進(jìn)行工作參數(shù)和控制命令的設(shè)置， 控制命令包括開始、暫停、停止等工作命令；
[0090] 步驟2:目標(biāo)聲源發(fā)射出聲波信號(hào)，其中有一部分聲波信號(hào)被麥克風(fēng)陣列接收到， 接收的信號(hào)太微弱沒有被麥克風(fēng)陣列接收到，則判定為沒有目標(biāo)聲源；
[0091 ]步驟3:目標(biāo)信號(hào)被麥克風(fēng)陣列接收，麥克風(fēng)陣列將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳給接收 器繼續(xù)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理；
[0092] 步驟4:接收模塊接收到電信號(hào)，因?yàn)楸环瓷浠貋淼慕邮招盘?hào)已經(jīng)很微弱，所W接 收模塊首先對(duì)其進(jìn)行模擬預(yù)處理放大，因?yàn)槟M預(yù)處理放大器前端有阻抗匹配裝置，所W 同樣能無失真的接收到麥克風(fēng)陣列發(fā)送來的接收信號(hào)，然后進(jìn)行濾波處理，除去一部分噪 聲的干擾；
[0093] 步驟5:運(yùn)個(gè)步驟是基于傳統(tǒng)的麥克風(fēng)陣列信號(hào)處理的一個(gè)改進(jìn)的地方，本發(fā)明對(duì) 接收信號(hào)處理采取先通過DSP處理器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行壓縮采集、稀疏等處理，最后在對(duì)稀疏 處理后的信號(hào)進(jìn)行信息的解算，得出所需的參數(shù)信息。信號(hào)稀疏部分將接收信號(hào)在分?jǐn)?shù)階 傅里葉變換域上對(duì)其進(jìn)行稀疏，使得目標(biāo)與混響在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域上呈現(xiàn)出明顯的不 同特征，具有抗混響的優(yōu)點(diǎn)，提高了目標(biāo)方位估計(jì)的精確度；
[0094] 步驟6:解算得到的信息通過PCI接口控制器傳送到嵌入式工控機(jī)，經(jīng)過處理之后 由顯示器顯示目標(biāo)相關(guān)信息。
[0095] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和 變型，運(yùn)些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法，其特征在于包括步驟： (1) 在分?jǐn)?shù)階傅里葉域，構(gòu)建測(cè)量矩陣Φ; (2) 利用所述測(cè)量矩陣Φ對(duì)麥克風(fēng)陣列的接收信號(hào)Sr(t)進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量信號(hào)Y(n) (u); (3) 根據(jù)所述測(cè)量信號(hào)Y(n)(u)，利用稀疏重構(gòu)算法重構(gòu)出稀疏接收信號(hào)； (4) 采用平滑1〇范數(shù)法對(duì)所述稀疏接收信號(hào)進(jìn)行求解，得出重構(gòu)信號(hào)； (5) 對(duì)所述重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化求解； (6) 對(duì)所述步驟(5)中解出的重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行解算，得到包括聲源個(gè)數(shù)、聲源位置在內(nèi)的 目標(biāo)信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法，其特征在于:測(cè)量矩陣Φ是NXN 維分?jǐn)?shù)階傅里葉變換矩陣和MXN維高斯隨機(jī)測(cè)量矩陣Θ的乘積，即Φ = 。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法，其特征在于：所述測(cè)量信號(hào) 為每個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)處的接收信號(hào)，（u)代表在分?jǐn)?shù) 階傅里葉變換域，nW(u)表示在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的噪聲混響。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法，其特征在于:重構(gòu)的稀疏接收信1其中II. 11?表示1『范數(shù);.1.1.11.?表示is-范 數(shù);s. t.表示使得滿足的條件;β表示預(yù)設(shè)的噪聲存在時(shí)優(yōu)化收斂的門限值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理方法，其特征在于:所述步驟(5)中采 用循環(huán)迭代算法求出所述重構(gòu)信號(hào)的最優(yōu)稀疏解s (n)(u)。6. -種麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于:包括麥克風(fēng)陣列、控制所述麥克風(fēng)陣 列接收信號(hào)的接收開關(guān)，以及對(duì)所述麥克風(fēng)陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行處理的控制器，所述控 制器包括 -接收模塊:包括電連接的模擬預(yù)處理放大器與濾波器，所述模擬預(yù)處理放大器與所述 接收開關(guān)電連接； -信號(hào)采集與處理模塊:包括DSP處理器、對(duì)應(yīng)所述DSP處理器的Flash閃存、中央邏輯控 制器和存儲(chǔ)器，所述DSP處理器與所述中央邏輯控制器通過總線接口與所述存儲(chǔ)器電連接； -嵌入式工控機(jī)：用于對(duì)所述系統(tǒng)進(jìn)行工作參數(shù)和控制命令的設(shè)置，通過PCI接口控制 器與所述信號(hào)采集與處理模塊通訊； -顯示器:與所述嵌入式工控機(jī)電連接，用來顯示聲源的目標(biāo)位置信息； -電源模塊:用來對(duì)所述系統(tǒng)進(jìn)行供電。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述電源模塊包括 對(duì)所述系統(tǒng)供電的蓄電池、以及為所述蓄電池充電的太陽能電池。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的麥克風(fēng)陣列的信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述麥克風(fēng)陣列為 由六個(gè)麥克風(fēng)均勻組成的圓形陣列。
【文檔編號(hào)】H04R29/00GK105828266SQ201610140244
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月11日
【發(fā)明人】張李, 沈小正, 謝卿, 肖佳林, 代大明
【申請(qǐng)人】蘇州奇夢(mèng)者網(wǎng)絡(luò)科技有限公司