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近场麦克风阵列波束形成方法研究

潘汉怀  
【摘要】: 麦克风阵列系统已广泛应用于声纳、医学和航空航天等诸多领域中,它主要包含两项核心技术:声源参数估计和波束形成。现有的麦克风阵列信号处理方法大多数建立在远场信号模型之上,而阵列平面波前模型只有在阵列与信号之间距离r≥2 d2/λ时才是合理的,d为最大阵列孔径,λ为工作波长,所以在实际应用环境中如小型会议室语音获取,车内免提电话等,假设的远场模型并不成立。因此研究近场麦克风阵列信号处理方法对于实际应用显的尤为重要,本文重点研究近场球面波前模型下声源波束形成方法。 首先,本文以声波传播模型为基础,推导近场球面波前阵列响应矩阵,并与远场平面波前阵列响应矩阵比较,近场阵列响应矩阵不仅是方位的函数,也是距离的函数,而远场环境下阵列响应矩阵仅为方位的函数,所以相比远场,近场麦克风阵列信号处理更为复杂。其次,利用阵列球面波前模型,研究近场子空间MUSIC算法,然后通过搜索峰值获得声源方位角、俯仰角和距离参数,实现空间三维声源参数估计;分析时差定位中两类时延估计算法,结合LMS和GCC时延估计算法来增强抗干扰能力。再次,在远场波束形成算法的基础上,研究近场波束形成方法,推导近场环境下麦克风阵列波束形成准则和自适应算法,通过距离和方位补偿实现近场波束形成,仿真结果表明该方法可以准确的对近场期望信号形成波束。同时,针对近场信号特殊球面波传播模型,研究稳键ADL-SMI算法用于近场定点约束波束形成;通过对ESB-PCMV算法扩展改进,实现近场声源定点约束自适应波束形成,增强算法的鲁棒性。最后,总结远场优化方法,在此基础上研究近场优化波束形成优化,推导近场施加干扰优化算法和二次约束算法,实现不规则麦克风阵列近场波束形成方向图和距离图优化。


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