CN114333887B - 音频抗干扰方法、电子设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种音频抗干扰方法、电子设备和存储介质，其中方法包括：计算所述音频的空间谱密度函数，确定所述音频的目标方向区间和干扰方向区间，其中，所述高速运动干扰源划分在所述干扰方向区间且不与所述目标方向区间重叠；对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽，同时对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使所述波束零陷更深。本发明实施例通过确定音频的目标方向区间和干扰方向区间，对干扰方向音频的空间谱密度函数进行放大，可以实现干扰越强，波束零陷就越深，解决了展宽零陷的同时零陷变浅的问题。

Description

音频抗干扰方法、电子设备和存储介质

技术领域

本发明属于抗干扰技术领域，尤其涉及一种音频抗干扰方法及电子设备和存储介质。

背景技术

在现有技术中主要有凹槽噪声法以及干扰方位扩展法，凹槽噪声法：根据自适应阵原理，自适应波束图在干扰方向形成凹槽，干扰强度越大，凹槽越深。实现方法是在旁瓣区域假设放置若干虚拟源，并运用自适应阵列原理，釆用迭代递归等类算法调整噪声源的强度，达到控制波束旁瓣峰值的目的。

干扰方位扩展法：在干扰方向自动形成零点，通过假想在干扰附近存在方位扩展的多个干扰源，自适应波束形成方法自动在扩展源扇面形成凹槽，故而扩展了零点宽度。实现方法是将点源干扰改成扩展源后的协方差矩阵，用它代替点源情况的协方差矩阵，然后代入最小方差无失真响应波束形成算法(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)，得到的波束图零点具有展宽的宽度。

凹槽噪声法：迭代步长难以选择，不能保证旁瓣得到严格的控制，且由于迭代过程中对主瓣宽度没有约束，容易造成主瓣较快增宽。在给定旁瓣级的条件下并不能保证获得最窄的主瓣宽度。此外该方法没有考虑旁瓣控制产生的副作用，如对阵增益与稳健性造成的影响。

干扰方位扩展法：由于将点源干扰改成扇面扩展源后，干扰簇中的单个干扰功率下降，零点展宽的同时凹槽深度变浅，对强干扰的抑制作用有限，无法跟踪强目标。

发明人发现：上述技术中凹槽噪声法无法针对噪声的强度以及目标运动状态及时调整零陷宽度；干扰方位扩展法，将点源干扰扩展为扇面干扰，即将有限的干扰功率分散，所以导致凹槽变浅，尽管对运动目标的跟踪能力提升，但是对强目标的抑制性能出现下降。

发明内容

本发明实施例旨在至少解决上述技术问题之一。

第一方面，本发明实施例提供一种音频抗干扰方法，针对高速运动干扰源，包括：计算所述音频的空间谱密度函数，确定所述音频的目标方向区间和干扰方向区间，其中，所述高速运动干扰源划分在所述干扰方向区间且不与所述目标方向区间重叠；对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽，同时对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使所述波束零陷更深。

第二方面，本发明实施例提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明上述任一项音频抗干扰方法。

第三方面，本发明实施例提供一种存储介质，所述存储介质中存储有一个或多个包括执行指令的程序，所述执行指令能够被电子设备(包括但不限于计算机，服务器，或者网络设备等)读取并执行，以用于执行本发明上述任一项音频抗干扰方法。

第四方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行上述任一项音频抗干扰方法。

本发明实施例通过确定音频的目标方向区间和干扰方向区间，对干扰方向音频的空间谱密度函数进行放大，可以实现干扰越强，波束零陷就越深，解决了展宽零陷的同时零陷变浅的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的音频抗干扰方法的一实施例的流程图；

图2为本发明的音频抗干扰方法的另一实施例的流程图；

图3为本发明的音频抗干扰方法的又一实施例的流程图；

图4为本发明一实施例提供的音频抗干扰方法的过程流程图；

图5为本发明的电子设备的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供一种音频抗干扰方法，针对高速运动干扰源，该方法可以应用于电子设备。电子设备可以是电脑、服务器或者其他电子产品等，本发明对此不作限定。

请参考图1，其示出了本发明一实施例提供的一种音频抗干扰方法，针对高速运动干扰源。

如图1所示，在步骤101中，计算所述音频的空间谱密度函数，确定所述音频的目标方向区间和干扰方向区间，其中，所述高速运动干扰源划分在所述干扰方向区间且不与所述目标方向区间重叠；

在步骤102中，对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽，同时对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使所述波束零陷更深。

在本实施例中，对于步骤101，对音频的空间谱密度函数进行计算，通过计算结果来确定频的目标方向区间和干扰方向区间，其中高速运动干扰源划分在干扰方向区间同时不与目标方向区间进行重叠，例如，首先通过拾音设备对音频进行采集，将采集到了音频截取一帧音频信号，对该截取的一帧音频信号进行空间谱密度函数计算，确认该音频信号的目标方向区间和干扰方向区间，干扰区间包括高速运动干扰源，该高速运动干扰源在干扰方向区间不会与目标方向区间重叠。

之后，对于步骤102，对干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽，同时对干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使波束零陷更深，例如，根据确定的干扰方向的音频为高速运动干扰源，由于高速运动的干扰源，其单位较大，对该干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展，其中空域扩展可以使空间谱的谱峰更加平滑，同时引入系数对陷波深度进行控制，该系数应与干扰的强度相关联，其中该系数可通过倍数或指数的形式作用于空间谱，最终使空间谱呈现一定程度的缩放，最终对应陷波的变浅及加深。

本申请实施例的方法通过确定音频的目标方向区间和干扰方向区间，对干扰方向音频的空间谱密度函数进行放大，可以实现干扰越强，波束零陷就越深，解决了展宽零陷的同时零陷变浅的问题。

在一些可选的实施例中，利用窗函数对空间谱密度函数进行空域扩展，其中，窗函数的窗宽度与高速运动干扰源的移动速度相关；使用窗函数对空间谱密度函数进行空域扩展，可以使空间谱的谱峰更加平滑，窗函数的宽度由干扰的运动速度决定，干扰运动速度越快，窗函数的宽度越大，其中窗的种类不限，窗的宽度需要关联干扰移动速度，移动速度可通过先验信息获得或算法方案获得。

本申请实施例的方法通过利用窗函数对空间谱密度函数进行空域扩展，平滑扩展空间谱密度函数，可以让波束零陷更宽。

在一些可选的实施例中，对空间谱密度函数通过引入指数系数或倍数系数的方式进行增强，其中，指数系数或倍数系数与高速运动干扰源的干扰强度正相关，例如，将空间谱密度函数引入系数对陷波深度进行增强控制，旨在将空间谱函数进行一定的缩放，其中系数包括指数系数和倍数系数，该指数系数或倍数系数应与干扰的强度相关联，该指数系数和倍数系数的形式作用于空间谱，最终使空间谱呈现一定程度的缩放，最终对应陷波的变浅及加深，其中，干扰强度可通过先验信息或算法方案获得，本申请的实施例的两种操作不分先后。

本申请实施例的方法通过对空间谱密度函数通过引入指数系数或倍数系数的方式进行增强，可以实现干扰越强，零陷越深。

请参考图2，其示出了本发明一实施例提供的另一种音频抗干扰方法。该流程图主要是对上述实施例“对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽”之前进一步限定的步骤的流程图。

如图2所示，在步骤201中，确定平滑空间谱密度函数的滤波器类型；

在步骤202中，获取所述高速运动干扰源的移动速度；

在步骤203中，获取所述高速运动干扰源的干扰强度。

在本实施例中，对于步骤201，在确定平滑空间谱密度函数的滤波器类型之后，对于步骤202，获取高速运动干扰源的移动速度，通过映射关系确定滤波器长度；最后对于步骤203，获取高速运动干扰源的干扰强度，通过映射关系确定空间谱密度函数放大系数。

本申请实施例的方法通过确定平滑空间谱密度函数的滤波器类型之后来获取高速运动干扰源的移动速度和高速运动干扰源的干扰强度，来实现干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽。

在一些可选的实施例中，基于空域扩展和增强后的空间谱密度函数重构噪声加干扰协方差矩阵，通过利用获得的滤波器长度和空间谱密度函数放大系数来重构空间谱密度函数，通过重构的空间谱密度函数来计算干扰方向区间的平均功率之和，可以得到噪声加干扰协方差矩阵。

本申请实施例的方法通过对空间谱密度函数进行重构，通过重构的空间谱密度函数来计算干扰方向区间的平均功率之和，可以得到噪声加干扰协方差矩阵。

再请参考图3，其示出了本发明一实施例提供的又一种音频抗干扰方法。该流程图主要是对流程图图1中进一步限定的步骤的流程图。

如图3所示，在步骤301中，对所述目标方向区间计算信号协方差矩阵；

在步骤302中，基于所述信号协方差矩阵和所述噪声加干扰协方差矩阵对所述高速运动干扰源方向的来波信号进行抑制。

在本实施例中，对于步骤301，通过对目标方向区间进行计算得到信号协方差矩阵，之后对于步骤302，利用信号协方差矩阵和噪声加干扰协方差矩阵对高速运动干扰源方向的来波信号进行抑制，从而完成对某些特定方向来波信号进行抑制。

本申请实施例的方法通过利用信号协方差矩阵和噪声加干扰协方差矩阵，可以实现对高速运动干扰源方向的来波信号进行抑制。

在一些可选的实施例中，根据得到的噪声加干扰协方差矩阵利用MVDR计算滤波器权矢量，或者利用其他信号处理方式的输入信息来计算滤波器权矢量得到最终结果，并输出最终结果。

需要说明的是，本申请的方案主要目的为自适应抑制高速运动强干扰，本行业的从业人员面向对象大多为家居或企业级音频设备，此类设备较少面对此场景，常见为安静场景或缓慢移动的若干个噪声源，所以其更多的采用适合家具或者会议场景算法，而仅兼顾高速移动的噪声。

请参考图4，其出示了本发明的音频抗干扰方法的实现流程图。

如图4所示，步骤1：麦克风阵列采集音频信号；

步骤2：选择其中部分麦克风或者全部麦克风音频，通过信号处理技术获取音频的空间谱密度函数；

步骤3：利用窗函数对空间谱密度函数进行空域扩展，使空间谱的谱峰更加平滑，窗的种类不限，窗的宽度需要关联干扰移动速度，移动速度可通过先验信息获得或算法方案获得；对空间谱函数通过引入指数或倍数的方式进行增强，旨在将空间谱函数进行一定的缩放。该指数或倍数需要与干扰的强度正相关，干扰强度可通过先验信息或算法方案获得。本部分两种操作不分先后；

步骤4：利用步骤3获得的空间谱密度函数重构噪声加干扰协方差矩阵；

步骤5：利用步骤4得到的噪声加干扰协方差矩阵，利用MVDR或其他信号处理方式的输入信息，进而完成对某些特定方向来波信号的抑制或其他目的，得到最终的输出。

首先截取一帧信号，并计算空间谱；其次确定目标方向以及干扰方向区间，需要抑制的干扰源需要划分在干扰方向区间，干扰方向区间与期望信号所在区间不可重叠。由于高速运动的干扰源，其单位时大，故使用窗函数对空间谱密度函数进行空域扩展，使空间谱的谱峰更加平滑，窗函数的宽度由干扰的运动速度决定，干扰运动速度越快，窗函数的宽度越大；同时引入系数对陷波深度进行控制，该系数应与干扰的强度相关联，该系数可通过倍数或指数的形式作用于空间谱，最终使空间谱呈现一定程度的缩放，最终对应陷波的变浅及加深。对干扰方向区间的平均功率求和，获取干扰加噪声协方差矩阵；最后利用噪声加干扰协方差矩阵通过MVDR计算滤波器权矢量。

需要说明的是，目前，自适应波束形成算法通过不同的准则来确定自适应权，并利用不同的自适应算法来实现，使接收的阵列能够按照期望的方向接收信号，并且抑制其它方向信号的干扰。自适应波束形成往往具有比常规波束形成更尖的指向性和抗强干扰能力，对于运动的干扰能做到跟踪，但是对于高速运动的目标，需要一个较大的步长以尽快完成滤波器的收敛，如果步长较大，干扰移动速度较慢或者不移动时，滤波器稳态误差波动较大，性能存在更多的不确定性，目前的零陷展宽技术大多会导致算法信噪比提升下降，本发明基于空间谱扩展的方法，有效规避自适应算法收敛速度引起的一系列问题。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作合并，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在一些实施例中，本发明实施例提供一种非易失性计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有一个或多个包括执行指令的程序，所述执行指令能够被电子设备(包括但不限于计算机，服务器，或者网络设备等)读取并执行，以用于执行本发明上述任一项音频抗干扰方法。

在一些实施例中，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行上述任一项音频抗干扰方法。

在一些实施例中，本发明实施例还提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行音频抗干扰方法。

图5是本申请另一实施例提供的执行音频抗干扰方法的电子设备的硬件结构示意图，如图5所示，该设备包括：

一个或多个处理器510以及存储器520，图5中以一个处理器510为例。

执行音频抗干扰方法的设备还可以包括：输入装置530和输出装置540。

处理器510、存储器520、输入装置530和输出装置540可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。

存储器520作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的音频抗干扰方法对应的程序指令/模块。处理器510通过运行存储在存储器520中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例音频抗干扰方法。

存储器520可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据音频抗干扰设备的使用所创建的数据等。此外，存储器520可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器520可选包括相对于处理器510远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至音频抗干扰设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置530可接收输入的数字或字符信息，以及产生与音频抗干扰设备的用户设置以及功能控制有关的信号。输出装置540可包括显示屏等显示设备。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器520中，当被所述一个或者多个处理器510执行时，执行上述任意方法实施例中的音频抗干扰方法词。

上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。

本申请实施例的电子设备以多种形式存在，包括但不限于:

(1)移动通信设备:这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括:智能手机、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。

(2)超移动个人计算机设备:这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括:PDA、MID和UMPC设备等。

(3)便携式娱乐设备:这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括:音频、视频播放器，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。

(4)其他具有数据交互功能的机载电子装置，例如安装上车辆上的车机装置。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种音频抗干扰方法，针对高速运动干扰源，包括：

计算所述音频的空间谱密度函数，确定所述音频的目标方向区间和干扰方向区间，其中，所述高速运动干扰源划分在所述干扰方向区间且不与所述目标方向区间重叠；

对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽，同时对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使所述波束零陷更深；

其中，所述对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽包括：

利用窗函数对空间谱密度函数进行空域扩展，其中，所述窗函数的窗宽度与所述高速运动干扰源的移动速度相关。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使所述波束零陷更深包括：

对所述空间谱密度函数通过引入指数系数或倍数系数的方式进行增强，其中，所述指数系数或倍数系数与所述高速运动干扰源的干扰强度正相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数进行空域扩展以使波束零陷更宽之前，所述方法还包括：

确定平滑空间谱密度函数的滤波器类型；

获取所述高速运动干扰源的移动速度；

获取所述高速运动干扰源的干扰强度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述对所述干扰方向的音频的空间谱密度函数引入系数增强以使所述波束零陷更深之后，所述方法还包括：

基于空域扩展和增强后的空间谱密度函数重构噪声加干扰协方差矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述重构噪声加干扰协方差矩阵之后，所述方法还包括：

计算干扰方向区间的平均功率之和，得到噪声加干扰协方差矩阵。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括：

对所述目标方向区间计算信号协方差矩阵；

基于所述信号协方差矩阵和所述噪声加干扰协方差矩阵对所述高速运动干扰源方向的来波信号进行抑制。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述基于所述信号协方差矩阵和所述噪声加干扰协方差矩阵对所述高速运动干扰源方向的来波信号进行抑制包括：

利用噪声加干扰协方差矩阵通过MVDR计算滤波器权矢量，并输出最终结果。

8.一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。