CN111060867A - 一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，包括：(1)构建指向性麦克风微阵列，以接收外界声波模拟信号，指向性麦克风微阵列由两个带有指向性的麦克风组成；(2)两个带有指向性的麦克风分别对接收到的模拟信号进行预处理，并通过AD模块将模拟信号转化为数字信号；(3)对数字信号进行降噪和语音增强处理，以获取高信噪比语音信号；(4)对两麦的采集信号能量进行对比，采用能量对比法判断波达大致方向，对波达方向进行分区；(5)利用广义互相关法求取语音时延，并通过时延估计方法算出精确波达方向。本发明结构简单、性能可靠、计算复杂度低，适合对麦克风阵列数量和尺寸均有较大限制条件下的麦克风解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展和深度学习技术的成熟，语音交互成为人机交互的重要交互方式。例如在手机等终端的Siri等语音助手，汽车语音控制，导航，智能家居，工业自动化，军事等领域均有众多应用。在语音交互过程中，语音信号采集是尤为关键的过程。语音信号采集涉及一系列技术，包括麦克风阵列，模数转化，信号预处理和信号存储/传输等等。各技术之间相互关联相互影响，缺一不可。在这其中，信号采集需要用到麦克风或麦克风阵列。采用麦克风阵列取代单一麦克风进行数据采集，不仅可以对数据进行获取，还可以结合麦克风阵列自身的阵型，通过算法对信号进行处理，获取一些额外的信息或对信号进行某些方面的增强，例如语音增强，降噪，波束形成，波达方向估计等等。因此，基于麦克风阵列技术的信号采集模块在语音交互系统中就显得尤为重要。
常见的麦克风阵列算法有基于自适应滤波的多麦降噪和语音增强，基于时延估计或最小二乘法的波达方向估计(DOA)，波束形成(BF)，盲源分离(BSS)等等。
而麦克风阵列根据麦克风数量的多少分为微阵列和大阵列等，其中微阵列一般是4麦以下。在这其中，两麦作为麦克风数量最少的微阵列，由于其成本优势而逐渐受到研究人员的关注。围绕两麦的微阵列研究一般在双麦降噪，波达方向估计，差分波束形成和盲源分离等方向展开。而由于一般的麦克风阵列均采用全指向性麦克风组合成阵，对于两麦的麦克风阵列，如采用全指向性麦克风，则由于全指向性麦克风自身的频响无指向性，而2麦麦阵无法形成环阵，只能呈线阵分布，故而如假设麦克风所在位置为x轴，围绕x轴的指向性是中心旋转对称的，故而无法分辨该自由度的任何信息。如果需要分辨该自由度的信息，就势必需要添加麦克风数量，达到3-4麦以上，这势必增加成本，同时也会对麦阵体积，功耗和计算复杂度带来一定的影响。
本发明采用带有指向性的麦克风组成阵列，则可以一定程度地解决上述问题。由于指向性麦克风自带的空间响应指向性(例如心形指向性)，对于特定方向的指向可以实现增强或削弱，这在客观上带来了额外的信息。对于两麦的麦克风微阵列，如果对指向性麦克风的指向进行人为调整，可以实现许多性能改进。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，解决了全指向性双麦麦克风微阵列在波达(语音)方向估计时在y轴正负方向无法区分的问题，实现全空间的波达(语音)方向精确估计。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建指向性麦克风微阵列，以接收外界声波模拟信号，指向性麦克风微阵列由两个带有指向性的麦克风组成；
(2)两个所述带有指向性的麦克风分别对接收到的模拟信号进行预处理，并通过AD模块将模拟信号转化为数字信号；
(3)对数字信号进行降噪和语音增强处理，以获取高信噪比语音信号；
(4)对两麦的采集信号能量进行对比，采用能量对比法判断波达大致方向，对波达方向进行分区；
(5)利用广义互相关法求取语音时延，并通过时延估计方法算出精确波达方向。
进一步地，所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(1)中所述指向性麦克风微阵列的两个带有指向性的麦克风为两个心形指向性麦克风，且两个心形指向性麦克风的间距为4-10cm。
进一步地，所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，定义两个所述心形指向性麦克风所在直线为x轴，两个所述心形指向性麦克风的几何位置中点为坐标原点，处于x轴负半轴的心形指向性麦克风为麦克风一，处于x轴正半轴的心形指向性麦克风为麦克风二，与x轴垂直的方向为y轴，则麦克风一的端射方向指向y轴负向，麦克风二的端射方向指向y轴正向。
进一步地，所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(2)中所述预处理包括放大处理、滤波处理。
进一步地，所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(3)中所述降噪和语音增强处理为：使用时域、频域或子带VAD算法进行语音检测，并通过谱减法、中心削波、同态滤波、自适应滤波或相位恢复算法进行降噪和语音增强。
进一步地，所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(4)中所述判断波达大致方向的具体方法为：
对x轴、y轴所在平面划分为2个区域，其中以x轴为界，y轴正方向1个区域、负方向1个区域，对于预处理后的信号通过两麦能量幅值平滑后比对的方式判断出波达方向处于哪个区域内；
麦克风一能量大于麦克风二时，判断波达方向在y轴正方向区域；麦克风二能量大于麦克风一时，判断波达方向在y轴负方向区域。
进一步地，所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(5)中所述波达方向的精确计算包括：采用时延估计算法计算时延，进而计算出波达方向角，其中，时延估计算法采用广义互相关法，过程如下：
定义麦克风一、麦克风二获取的经过预处理和降噪与语音增强后的信号分别为x1(n)、x2(n)，计算两麦克风通道信号的短时傅里叶变换：
X1(f)＝fft(x1(n)) (1)
X2(f)＝fft(x2(n)) (2)
计算广义互相关函数：
定义两麦克风通道信号时延为τ，求(3)式中最大值点集合：
定义两麦克风间距为d，声速为c，波达方向与y轴夹角为α，则波达方向角α通过(5)计算求得
进而结合步骤(4)中获取的大致方向，可以获知波达精确方向。
本发明的优点是：
本发明结构简单、性能可靠、计算复杂度低，适合对麦克风阵列数量和尺寸均有较大限制条件下的麦克风解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例指向性麦克风微阵列结构图。
图2为本发明实施例指向性麦克风微阵列波达方向估计算法流程图。
图3为本发明实施例指向性麦克风微阵列波达方向信号响应图(波达方向为30度)。
图中：。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1。
如图1所示，一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，包括以下步骤：
(1)构建指向性麦克风微阵列，以接收外界声波模拟信号，指向性麦克风微阵列由两个带有指向性的麦克风组成；
(2)两个带有指向性的麦克风分别对接收到的模拟信号进行预处理，并通过AD模块将模拟信号转化为两个通道的数字信号；
(3)对两个通道的数字信号进行降噪和语音增强处理，以获取高信噪比语音信号，抑制环境噪声等干扰因素；
(4)对两麦的采集信号能量进行对比，采用能量对比法判断波达大致方向，对波达方向进行分区，判断波达方向在图1中y轴正向区域或y轴负向区域；
(5)利用广义互相关法求取语音时延，并通过时延估计方法算出精确波达方向。
步骤(1)中指向性麦克风微阵列的两个带有指向性的麦克风为两个心形指向性麦克风，且两个心形指向性麦克风的间距为6cm。
如图1所示，定义两个心形指向性麦克风所在直线为x轴，两个心形指向性麦克风的几何位置中点为坐标原点，处于x轴负半轴的心形指向性麦克风为麦克风一，处于x轴正半轴的心形指向性麦克风为麦克风二，与x轴垂直的方向为y轴，则麦克风一的端射方向指向y轴负向，麦克风二的端射方向指向y轴正向。
如图2所示，步骤(2)中包括以下子步骤：
(2.1)通过运放模块进行增益和放大处理；
(2.2)通过模拟端元器件实现高通滤波；
(2.3)通过AD模块进行AD数模转换。
步骤(3)中包括以下子步骤：
所述降噪和语音增强处理为：使用时域、频域或子带VAD算法进行语音检测，并通过谱减法、中心削波、同态滤波、自适应滤波或相位恢复算法进行降噪和语音增强。
(3.1)对两通道信号进行频域VAD，识别语音或噪声；
(3.2)通过中心削波方式对所述两通道信号进行降噪和语音增强处理；
(3.3)通过时域或频域保护，进行相位恢复技术对两通道信号进行修正和恢复，得到两通道纯净语音信号。
步骤(4)中判断波达大致方向的具体方法为：
对x轴、y轴所在平面划分为2个区域，其中以x轴为界，y轴正方向1个区域、负方向1个区域，对于预处理后的信号通过两麦能量幅值平滑后比对的方式判断出波达方向处于哪个区域内，根据两通道能量大小判断其处于y轴正向区域或y轴负向区域；
当来自麦克风一的通道1纯净语音信号能量大于来自麦克风二的通道2的纯净语音信号能量时，判断波达方向来自y轴负向区域；当来自麦克风二的通道2纯净语音信号能量大于来自麦克风一的通道1的纯净语音信号能量时，判断波达方向来自y轴正向区域；以此完成波达方向的大致判断。
步骤(5)中包括一下子步骤：
(5.1)定义麦克风一、麦克风二获取的经过预处理和降噪与语音增强后的纯净语音信号分别为x1(n)、x2(n)；计算两麦克风通道信号的短时傅里叶变换：
X1(f)＝fft(x1(n)) (1)
X2(f)＝fft(x2(n)) (2)
(5.2)计算广义互相关函数：
(5.3)定义两麦克风通道信号时延为τ，求(3)式中最大值点集合：
(5.4)定义两麦克风间距为d，声速为c，波达方向与y轴夹角为α，则波达方向角α可以通过(5)计算求得
进而结合步骤(4)中获取的大致方向，可以获知波达(语音)精确方向。
由于常规全指向两麦微阵列关于x轴完全对称，无法获取绕x轴环向的信息，采用常规两麦微阵列的波达方向估计算法，针对xy轴平面无法判断波达方向在y轴向或负向，因而只能算出两个疑似波达方向，而不能确定准确方向。本发明的算法采用两个带有心形指向性的麦克风，在常规两麦微阵列波达方向估计的时延估计算法前加入两麦克风通道能量对比，获取额外y轴向信息，因而实现了对y轴向波达方向的判断，可以最终准确确定波达方向。
如图3所示，即为本算例的波达方向为30度时的响应。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建指向性麦克风微阵列，以接收外界声波模拟信号，所述指向性麦克风微阵列由两个带有指向性的麦克风组成；
(2)两个所述带有指向性的麦克风分别对接收到的模拟信号进行预处理，并通过AD模块将模拟信号转化为数字信号；
(3)对数字信号进行降噪和语音增强处理，以获取高信噪比语音信号；
(4)对两麦的采集信号能量进行对比，采用能量对比法判断波达大致方向，对波达方向进行分区；
(5)利用广义互相关法求取语音时延，并通过时延估计方法算出精确波达方向。
2.根据权利要求1所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(1)中所述指向性麦克风微阵列的两个带有指向性的麦克风为两个心形指向性麦克风，且两个心形指向性麦克风的间距为4-10cm。
3.根据权利要求2所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，定义两个所述心形指向性麦克风所在直线为x轴，两个所述心形指向性麦克风的几何位置中点为坐标原点，处于x轴负半轴的心形指向性麦克风为麦克风一，处于x轴正半轴的心形指向性麦克风为麦克风二，与x轴垂直的方向为y轴，则麦克风一的端射方向指向y轴负向，麦克风二的端射方向指向y轴正向。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(2)中所述预处理包括放大处理、滤波处理。
5.根据权利要求4所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(3)中所述降噪和语音增强处理为：使用时域、频域或子带VAD算法进行语音检测，并通过谱减法、中心削波、同态滤波、自适应滤波或相位恢复算法进行降噪和语音增强。
6.根据权利要求5所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(4)中所述判断波达大致方向的具体方法为：
对x轴、y轴所在平面划分为2个区域，其中以x轴为界，y轴正方向1个区域、负方向1个区域，对于预处理后的信号通过两麦能量幅值平滑后比对的方式判断出波达方向处于哪个区域内；
麦克风一能量大于麦克风二时，判断波达方向在y轴正方向区域；麦克风二能量大于麦克风一时，判断波达方向在y轴负方向区域。
7.根据权利要求6所述的一种指向性麦克风微阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤(5)中所述波达方向的精确计算包括：采用时延估计算法计算时延，进而计算出波达方向角，其中，时延估计算法采用广义互相关法，过程如下：
定义麦克风一、麦克风二获取的经过预处理和降噪与语音增强后的信号分别为x1(n)、x2(n)，计算两麦克风通道信号的短时傅里叶变换：
X1(f)＝fft(x1(n)) (1)
X2(f)＝fft(x2(n)) (2)
计算广义互相关函数：
定义两麦克风通道信号时延为τ，求(3)式中最大值点集合：
定义两麦克风间距为d，声速为c，波达方向与y轴夹角为α，则波达方向角α通过(5)计算求得
进而结合步骤(4)中获取的大致方向，可以获知波达精确方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200424 |