CN102855409A - 近场径向干扰源抑制算法及其球麦克风阵列语音采集装置 - Google Patents

近场径向干扰源抑制算法及其球麦克风阵列语音采集装置 Download PDF

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一种近场径向干扰源抑制算法及其球麦克风阵列语音采集装置，当期望源位于近场且期望源和干扰源的来波方向和频率相同时利用空间径向抵消滤波算法有效抑制干扰，该球麦克风阵列语音采集装置采用拓扑结构为正十二面体的球麦克风阵列，阵列冗余度小，设计、计算简单，同时可精确确定麦克风在球面上的位置，不会产生位置误差。

Description

近场径向干扰源抑制算法及其球麦克风阵列语音采集装置
技术领域
本发明涉及一种近场径向干扰源抑制算法及其球麦克风阵列语音采集装置。
背景技术
在实际复杂的声学环境下，麦克风拾取的语音信号不可避免地会受到房间混响、噪声以及其他说话人的干扰，即麦克风接收信号为带噪语音，这样不仅影响语音质量，还会使许多语音处理系统的性能急剧恶化。因此，需要对麦克风拾取的语音信号进行有效的噪声抑制，减小干扰因素对语音信号的影响，以增强语音信号质量，有效地改善语音处理系统的性能。与单麦克风相比，麦克风阵列融合了语音信号的空时信息，具有灵活的波束控制、较高的空间分辨率、较高的信号增益与较强的抗干扰能力等特点，已成为智能通信系统中捕捉说话人语音、改善语音质量的重要手段。目前，麦克风阵列技术已广泛应用于车载语音系统、语音识别系统、助听器和视频会议等各种语音通信领域中。
常见麦克风阵列的拓扑结构主要包括线性阵列、平面阵列和球形阵列。在以上三种阵列形式中，球麦克风阵列（由多个麦克风按照不同的分布情况布置于同一个球面上）物理结构上具有全向旋转对称性，且当空间信号源进行任意方向的旋转移动时，不影响阵列的整体输出，所以能够更好地应用于三维空间波束形成、声源定位、噪声控制以及声场空间特性分析等领域。
实际应用球麦克风阵列进行声源信号采集时，不可能使用大量麦克风覆盖整个球面。因此，需要选择有限数目的麦克风以一定方式对声源信号进行采样。空间采样和时域采样相似，为避免空间信号发生混叠，需要满足有限的带宽（有限的谐波阶数N）。球面空间采样主要有三种形式，分别为等角度采样、高斯采样和均匀采样。其中，等角度采样需要不少于4(N+1)2个采样点，采样点具有规则的角度差异，这种采样需要大量的采样点，实现起来非常困难；高斯采样需要的采样点数至少为2(N+1)2个，同时存在很大的阵列冗余；均匀采样令每两个采样点之间的距离均相等，要求采样点至少为(N+1)2个。与前两种采样方式相比，当麦克风阵列采用均匀采样时，所需采样点麦克风最少，实现起来最方便，也比较广泛。
当采用均匀采样时，如果阵列阶数较小，采样点过少，则阵列系统的分辨性能较差；若阵列阶数较大，阵列系统的分辨性能虽然有所提高，但由于所需麦克风数目过多，带来设计方面的复杂性，麦克风在球面的位置难以确定，容易产生位置误差，同时对数据采集设备的硬件配置要求过高，难以实现。
在一些近场环境中，麦克风阵列采集空间源声学信号，若期望源与干扰源同向，则普通阵列及其波束形成方法无法抑制掉干扰源、提取期望源，进而实现空间滤波，无法取得较好的语音增强效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种当期望源位于近场且期望源和干扰源的来波方向和频率相同时有效抑制干扰的近场径向干扰源抑制算法及其球麦克风阵列语音采集装置，该采集装置阵列冗余度小，设计、计算简单，同时可精确确定麦克风在球面上的位置，不会产生位置误差。
本发明的技术方案是： 
一种近场径向干扰源抑制算法，其特殊之处是，具体步骤包括：
第一步，利用球麦克风阵列语音采集装置采集期望源的声压信号，所述球麦克风阵列语音采集装置的麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风，利用基于球阵列的MUSIC算法和基于低频不同模式差近场期望源距离估计算法估计出期望源的位置                                                ,r s 表示期望源距球心距离，θ s 表示入射俯仰角，φ s 表示入射方位角；
第二步，将球麦克风阵列接收到的声压信号进行球傅里叶变换，声压的球傅里叶变换公式如下：
上式中
Figure 866998DEST_PATH_IMAGE003
表示声压的球傅里叶变换系数，
Figure 407701DEST_PATH_IMAGE004
为与采样方案相关的权值参数， J表示球阵列所含的阵元数，
Figure 785592DEST_PATH_IMAGE005
表示第j个麦克风所采集的声压，
Figure 199387DEST_PATH_IMAGE006
为第j个麦克风在球阵表面所处的位置，
Figure 662730DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 69440DEST_PATH_IMAGE008
分别表示球坐标的俯仰角和方位角，表示n阶m度的球谐函数，
Figure 886535DEST_PATH_IMAGE010
为复数共轭运算符；
第三步，根据第一步所估计出的期望源位置
Figure 102752DEST_PATH_IMAGE001
，对径向陷波滤波器和多尔夫-切比雪夫径向滤波器进行设计，得到两个波束形成系数d n1(k)和d n2(k)，相应滤波器的阵列权值分别为
Figure 47575DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 400058DEST_PATH_IMAGE012
，阵列权值按照以下公式计算为：
Figure 77027DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 322152DEST_PATH_IMAGE014
(g = 1, 2)，控制空间滤波器的径向行为和波束图，
Figure 8348DEST_PATH_IMAGE015
表示阵列的指向方向，
Figure 277656DEST_PATH_IMAGE016
由阵列边界决定，即
Figure 391105DEST_PATH_IMAGE017
Figure 129385DEST_PATH_IMAGE018
为球汉克尔函数，可表示球面波前的径向衰减，为球贝塞尔函数；
第四步，空间径向抵消滤波器的主支路利用多尔夫-切比雪夫径向滤波器对信号初步处理，抑制一部分噪声和干扰，辅支路用径向陷波滤波器对信号进行处理，完全抑制掉期望信号保留噪声和干扰，两支路输出结果分别为
Figure 743086DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 27437DEST_PATH_IMAGE021
，分别为：
Figure 15433DEST_PATH_IMAGE023
第五步，将两支路的输出结果进行加权求和，得到空间径向抵消滤波器的输出为
Figure 197015DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure 714584DEST_PATH_IMAGE025
式中的
Figure 614407DEST_PATH_IMAGE026
为利用自适应算法得出的最优权值。
该球麦克风阵列语音采集装置，包括承载球体、固定在承载球体上的麦克风阵列、支撑承载球体并内置麦克风连接线的支架，其特殊之处是：所述麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风。
所述承载球体的半径r=0.05m~0.5m。
所述支架由插装在一起的上、下支架组成，所述上、下支架的连接处设有控制阀，以自由调节承载球体的高度，方便语音信息采集。
本发明的有益效果是： 
1、当期望源位于近场且期望源和干扰源的来波方向和频率相同时，利用空间径向抵消滤波算法有效抑制干扰，得到处理完善的语音信号。
2、由于选用具有20个阵元的球麦克风阵列,根据均匀采样方案可知,此时球麦克风阵列的阶数N可取1、2、3，其阵列冗余度小，计算量小，简单实用，具有良好的分辨性能，所需阵元数与阵列系统性能均衡，实用性强。
3、均匀分布的20个阵元构成特殊的几何体--正十二面体，由于正十二面体具有独特的几何特性，是由12个正五边形所组成的正多面体，所以可以精确确定各顶点的位置，不会产生位置误差，形成严谨的空间旋转对称性,有效采集信号空间信息。以正十二面体的中心坐标为(0,0,0)为例，各阵元所在顶点的坐标为{
Figure 993567DEST_PATH_IMAGE027
,,,
Figure 839666DEST_PATH_IMAGE030
}，其中
Figure 209468DEST_PATH_IMAGE031
(黄金分割数)，根据空间坐标可以确定各阵元的角度位置，进而确定其在承载球面上分布的准确位置。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的麦克风阵元的分布示意图；
图3是本发明的应用算法的原理图；
图4是本发明的近场径向干扰源抑制算法所生成的径向方向的波束图。
图中：麦克风1、承载球体2、上支架3、控制阀4、下支架5。
具体实施方式
如图1所示，该球麦克风阵列语音采集装置，包括承载球体2、固定在承载球体2上的麦克风阵列、支撑承载球体2并布置麦克风连接线的支架。所述麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风1，即麦克风1数目为M=20，完成接收空间语音信号的任务。承载球体2由钢质材料制成，主要用来安放麦克风1并形成球面的刚性反射。所述支架由插装在一起的上、下支架3、5组成，所述上、下支架3、5的连接处设有控制阀4，以自由调节承载球体2的高度，进而自由调节麦克风阵列的高度，方便语音信息采集。
该球麦克风阵列的设计方法是：
1、根据近场声学环境要求，阵列半径r（承载球体的半径）需满足
r ≈ N / k max ，
式中N为阵列阶数，k = ω/c为来波语音源信号波数，ω为来波语音源角频率，c为声音在空气中的传播速度，k max 为最大波数值，由语音信号频率决定。根据均匀分布采样定理，这里最大N值取3，根据语音信号的频率可知，k max 的取值范围可以为6~60，由此可得承载球体的半径范围为0.05m~0.5m。本实施例中，r取值0.1m。
2、以承载球体2的球心为原点，建立空间直角坐标系，由正十二面体特性计算各顶点的精确位置，各顶点坐标（x\y\z）如下：
Figure 178692DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 975747DEST_PATH_IMAGE033
；；
Figure 554812DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 565494DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 346499DEST_PATH_IMAGE037
；
Figure 442631DEST_PATH_IMAGE038
；；
； 
Figure 299226DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 617075DEST_PATH_IMAGE042
；；
Figure 179960DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 489719DEST_PATH_IMAGE045
；
Figure 107913DEST_PATH_IMAGE046
；
Figure 161319DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 63416DEST_PATH_IMAGE048
；
Figure 544076DEST_PATH_IMAGE049
；
Figure 932724DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 524242DEST_PATH_IMAGE051
其中。
3、由上述20个顶点坐标位置可以确定麦克风在球面安置位置，并根据三角函数关系
Figure 197986DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 977723DEST_PATH_IMAGE053
求得相应的方向角度坐标，如表1所示（俯仰角θ和方位角φ），即得到了均匀分布的20个阵元的球麦克风阵列,参照图2。
如图3所示，利用了上述球麦克风阵列语音采集装置的近场径向干扰源抑制算法（球麦克风阵列波束形成方法），其特殊之处是，采用空间径向抵消滤波算法。
具体步骤包括：
第一步，利用基于球阵列的MUSIC算法和基于低频不同模式差近场期望源距离估计算法估计出期望源的位置
Figure 185982DEST_PATH_IMAGE054
,r s 表示期望源距球心距离，表示入射俯仰角，φs表示入射方位角。本实施例中期望源位于距球心
Figure 354DEST_PATH_IMAGE055
处，入射俯仰角θ s 为 0，入射方位角φ s 为0，则期望源的位置为(0.5,0,0)，与期望源同方向的干扰源的空间位置为(1.5, 0, 0)。
第二步，对拓扑结构为正十二面体的球麦克风阵列接收到的声压信号进行球傅里叶变换。声压的球傅里叶变换公式如下：
上式中
Figure 152167DEST_PATH_IMAGE057
表示声压的球傅里叶变换系数，
Figure 351067DEST_PATH_IMAGE004
为与采样方案相关的权值参数，
Figure 832995DEST_PATH_IMAGE058
， J表示球阵列所含的阵元数，
Figure 826359DEST_PATH_IMAGE059
表示第j个麦克风所采集的声压，为第j个麦克风在球阵表面所处的位置，和
Figure 982031DEST_PATH_IMAGE008
分别表示球坐标的俯仰角和方位角，
Figure 146296DEST_PATH_IMAGE061
表示n阶m度的球谐函数，‘
Figure 387921DEST_PATH_IMAGE010
’为复数共轭运算符。
第三步，根据第一步所估计的参数，对径向陷波滤波器和多尔夫-切比雪夫径向滤波器进行设计，本实施例中多尔夫-契比雪夫径向滤波器的主旁瓣抑制比选取R=1000，径向陷波滤波器零陷位置选取
Figure 990941DEST_PATH_IMAGE062
，得到两个波束形成系数d n1(k)和d n2(k)，相应滤波器的阵列权值分别为
Figure 368833DEST_PATH_IMAGE063
和
Figure 782628DEST_PATH_IMAGE064
，阵列权值所采用的形式为：
其中(g = 1, 2)可以控制空间滤波器的径向行为和波束图，
Figure 885079DEST_PATH_IMAGE067
表示阵列的指向方向,由阵列边界决定，即
Figure 420414DEST_PATH_IMAGE069
Figure 302919DEST_PATH_IMAGE070
为球贝塞尔函数，
Figure 717720DEST_PATH_IMAGE071
为球汉克尔函数，可表示球面波前的径向衰减。
第四步，空间径向抵消滤波器的主支路用多尔夫-切比雪夫径向滤波器对信号初步处理，它可以抑制一部分噪声和干扰；辅支路用径向陷波滤波器对信号进行处理，它基本上能够完全抑制掉期望信号保留噪声和干扰，两支路所得的输出结果分别为
Figure 660268DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 911252DEST_PATH_IMAGE073
，分别为：
Figure 597448DEST_PATH_IMAGE074
  。
第五步，将两支路的输出结果进行加权求和，得到空间径向抵消滤波器的输出为
Figure 980205DEST_PATH_IMAGE076
：
Figure 905436DEST_PATH_IMAGE077
式中的为利用自适应算法得出的主从支路加权的最优权值，本实施例中确定最优权值为。
利用上述方法得到如图4所示的波束图，如波束图所示，期望源(0.5,0,0)的语音得到最大限度的提取，而与期望源(0.5,0,0)同向的干扰源(1.5, 0, 0)被完全抵消或抑制掉。
 表1
Figure 350958DEST_PATH_IMAGE079

Claims (4)

1.一种近场径向干扰源抑制算法，其特征在于，包括如下具体步骤：
第一步，利用球麦克风阵列语音采集装置采集期望源的声压信号，所述球麦克风阵列语音采集装置的麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风，利用基于球阵列的MUSIC算法和基于低频不同模式差近场期望源距离估计算法估计出期望源的位置                                                ,r s 表示期望源距球心距离，θ s 表示入射俯仰角，φ s 表示入射方位角；
第二步，将球麦克风阵列接收到的声压信号进行球傅里叶变换，声压的球傅里叶变换公式如下：
上式中
Figure 187874DEST_PATH_IMAGE003
表示声压的球傅里叶变换系数，
Figure 712528DEST_PATH_IMAGE004
为与采样方案相关的权值参数， J表示球阵列所含的阵元数，
Figure 640032DEST_PATH_IMAGE005
表示第j个麦克风所采集的声压，为第j个麦克风在球阵表面所处的位置，
Figure 169508DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 684803DEST_PATH_IMAGE008
分别表示球坐标的俯仰角和方位角，表示n阶m度的球谐函数，
Figure 776572DEST_PATH_IMAGE010
为复数共轭运算符；
第三步，根据第一步所估计出的期望源位置
Figure 847297DEST_PATH_IMAGE001
，对径向陷波滤波器和多尔夫-切比雪夫径向滤波器进行设计，得到两个波束形成系数d n1(k)和d n2(k)，相应滤波器的阵列权值分别为和
Figure 553533DEST_PATH_IMAGE012
，阵列权值按照以下公式计算为：
其中
Figure 654530DEST_PATH_IMAGE014
(g = 1, 2)，控制空间滤波器的径向行为和波束图，
Figure 246048DEST_PATH_IMAGE015
表示阵列的指向方向，
Figure 753384DEST_PATH_IMAGE016
由阵列边界决定，即
Figure 670524DEST_PATH_IMAGE017
Figure 512578DEST_PATH_IMAGE018
为球汉克尔函数，可表示球面波前的径向衰减，
Figure 907788DEST_PATH_IMAGE019
为球贝塞尔函数；
第四步，空间径向抵消滤波器的主支路利用多尔夫-切比雪夫径向滤波器对信号初步处理，抑制一部分噪声和干扰，辅支路用径向陷波滤波器对信号进行处理，完全抑制掉期望信号保留噪声和干扰，两支路输出结果分别为
Figure 535209DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 357672DEST_PATH_IMAGE021
，分别为：
Figure 624705DEST_PATH_IMAGE022
Figure 885922DEST_PATH_IMAGE023
第五步，将两支路的输出结果进行加权求和，得到空间径向抵消滤波器的输出为
Figure 554801DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure 361214DEST_PATH_IMAGE025
式中的
Figure 115543DEST_PATH_IMAGE026
为利用自适应算法得出的最优权值。
2.一种用于如权利要求1所述的近场径向干扰源抑制算法的球麦克风阵列语音采集装置，包括承载球体、固定在承载球体上的麦克风阵列、支撑承载球体并内置麦克风连接线的支架，其特征在于：所述麦克风阵列的拓扑结构采用正十二面体，所述正十二面体的每个顶点处均设有一路麦克风。
3.根据权利要求1所述的球麦克风阵列语音采集装置，其特征在于：所述承载球体的半径r=0.05m~0.5m。
4.根据权利要求1所述的球麦克风阵列语音采集装置，其特征在于：所述支架由插装在一起的上、下支架组成，所述上、下支架的连接处设有控制阀。
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