鲁棒性传声器阵列系统研究

发布时间：2020-07-21 14:27

【摘要】：传声器阵列配合合理的算法可以完成声源定位、语音增强和声场分析等功能,在声信号处理领域有着广泛应用。传声器阵列需要处理的音频信号等效带宽高,且阵列尺度往往显著受制于硬件系统;阵列所处的声学环境中,混响、散射以及环境噪声的干扰无处不在;阵列所使用的传声器单元自噪声和非一致性一般也不可忽略。这些不利因素给传声器阵列的应用带来了极大挑战。如何提升阵列系统的鲁棒性,改善系统在实际应用中的性能,是很有意义的研究课题。本论文围绕阵列系统的鲁棒性展开研究,重点关注基于传声器阵列的三项关键技术:波束形成、声源定位以及盲信号分离。常用的波束优化算法多关注于抑制与声源不同方向的噪声,而不能有效地抑制与声源同方向的噪声。本文在典型的固定波束算法中引入约束条件,实现有距离辨识度的波束设计方案,并进一步考虑传声器单元的特征误差,提出了鲁棒性宽带优化方法。通过仿真和实验,对比了改进优化算法的性能。传声器阵列近场的散射体会对阵列性能带来影响。本文针对最常见的线性阵列建立了一个近场散射模型,其中散射体被假设为一个刚性球,而阵列的入射信号除了使用远场平面波和和近场点声源模型,还使用了一个更加合理的人头声源模型。使用时域仿真的方法,研究散射对声波传播的影响,进而分析了近场散射对两种典型波束——延时求和波束和超指向性波束——的影响。使用具备不同参数特性的传声器阵列和刚性球组合进行了仿真和实验,系统地分析了近场散射对线性阵列波束的影响。对声源定位的应用而言,球阵列因其在三维空间定向结果的唯一性,是集总阵列的最有效模型。本文在球谐域提出了一种基于最大似然估计的多声源定位算法。为了提高计算效率,在球谐域使用顺序迭代搜索算法搜索代价函数的最大值。本文提出的算法避免了球贝塞尔函数的除法,同时适用于刚性球和空心球阵列。仿真结果显示该算法相比于频率平滑后的多重信号分类定位算法具有显著的优势。在视听室和混响室中进行实验,实验结果验证了提出算法的有效性。本文还对基于频域独立成分分析的盲信号分离算法展开了系统的分析,对比了常用排序算法的性能,并提出了一种结合到达时间差和频率相关性的鲁棒性排序方法。在此基础上,设计并完善了了一种基于块处理的实时盲信号分离系统。通过两单元传声器阵列的实验验证了整体系统的鲁棒性和有效性。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN641
【图文】：

结构框图,频域,结构框图,阻塞矩阵

阵列指向特性的条件下，最小化阵列输出的总能量［２］。ＧＳＣ作为ＬＣＭＶ波束的逡逑另一种实现形式，将带约束的优化问题转变为无约束的优化问题，结构简单、易逡逑于实现，广泛应用于各种阵列信号处理中。频域ＧＳＣ结构框图如图１．１所示，逡逑其中ＦＢＦ为固定波束形成器，用来生成期望输出信号；ＢＭ为阻塞矩阵，用来生逡逑成噪声参考信号；通过一个自适应结构，消除期望输出信号中与噪声参考信号相逡逑关的部分［７］。使用标准的ＧＳＣ结构时，由于房间混响、传声器失配以及声源方逡逑位误差等，噪声参考信号中可能泄漏期望语音信号，进而导致期望信号的衰减与逡逑失真。为了解决这一问题，很多学者提出了不同的改进算法，如使用带系数约束逡逑的自适应阻塞矩阵［１６］，阻塞矩阵的设计与相对传递函数结合的方法［１７－１８］等。逡逑这些方法在实际应用中，常依赖于语音活跃度检测（ＶＡＤ）的准确性，性能受到逡逑限制。Ｋｅｌｌｅｒｍａｎｎ等使用盲信号分离（ＢＳＳ）的方法来设计阻塞矩阵

系统框图,系统框图,瞬时混合,混合方式

逦系统Ｗ逡逑图１．２邋ＢＳＳ系统框图（２入２出）逡逑图１．２给出了邋２入２出的ＢＳＳ系统框图。ＢＳＳ系统的复杂度，与声源信号的逡逑混合模型假设有关。声源信号的混合方式有三种：瞬时混合、无回声混合以及卷逡逑积混合［４３］。瞬时混合的观测信号是源信号的线性组合，无回声混合的观测信号逡逑是加入延时后的源信号的线性组合。这两种混合方式较为简单，可以通过主分量逡逑６逡逑

传声器阵,线性,阵列响应,量定

南京大学博士学位论文在归一化频率处的阵列响应为逡逑／／0。，ｒ、）邋＝邋ＷＨ邋0。）ｇ（叫，ｒｖ），Ｗ（ｆｔｊＱ）是传声器阵列在频率为咖时的；Ｖｘｌ维复数权重，（＿）Ｈ表向向量定义为：逡逑，ｒｖ）＝邋－＾ｅ邋ｃ逦ｃ邋，…，ｃ－尺以逦＾ｓｎ逦＾ｓＮ逦＿逡逑＝Ｍ是从聚焦点到阵列中心的距离，ｉ？ＯＴ＝邋｜ｒ，－ｒ？｜是从信号源到距离，ｃ是声速（ｃ邋＝邋３４０ｒａ／ｓ），／，是采样频率，（0Ｔ表示转置。逡逑

【参考文献】