CN114584895A - 一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置 - Google Patents

一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置 Download PDF

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CN114584895A CN202210490651.8A CN202210490651A CN114584895A CN 114584895 A CN114584895 A CN 114584895A CN 202210490651 A CN202210490651 A CN 202210490651A CN 114584895 A CN114584895 A CN 114584895A
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Abstract

本发明公开一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置，通过在方形区域内随机生成N个粒子，并给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，并根据χ计算超齐构点阵受约束的自由度数目M，然后通过不断增大选取整数nx和ny，得到M个周期性边界条件对应的倒空间波矢，最后计算两个粒子坐标之间的关系和坐标关系的总势能ϕ，通过有约束非线性优化算法，使总势能ϕ接近理论最小值ϕmin，利用此时得到的该坐标分布排布声学收发阵列。通过本发明得到的超齐构无序排布的声收发阵列来排布声学器件，能够提供声学器件产生的声场的主瓣/最大旁瓣比，降低旁瓣对主瓣的影响，提高声源识别准确性，提升声信号传输精度和效率。

Description

一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置
技术领域
本发明涉及声源识别及控制领域，具体涉及一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置。
背景技术
基于波束成形的声学器件阵列由组成器件的不同有着不同的应用：以麦克风组成的声学照相机可用于声源识别；以扬声器组成的指向性声源可用于声信号的定向传递。
声学照相机，又名声学成像仪，是利用麦克风阵列，基于波束成形技术确定声源位置，与摄像头结合，通过图像可视化的方式，将对声源位置的估计以彩色等高线图谱的方式呈现出来，有效地展示声源在空间的分布状态，声像图与视频图像叠加，形成类似于热影像仪对物体温度的探测效果。声学照相机一般应用于声源定位，常用于噪声监测、局部放电检测、气体泄漏检测、机械振动检测等噪声检测。声学照相机提供了声音维度的手段，与红外、超声波、振动等监测手段一起为用户提供更全方位的检查方案，具有较高的商业价值。
而与之类似的指向性声源，则通过扬声器阵列，同样利用波束成形技术，将要传递的声信号能量集中，并沿给定的方向发出，而其他方向上的声能量则被抑制；相比于传统扬声器，具有高指向性，强度衰减慢等特征，常用于博物馆，户外站点广场等场景，还能用于声场的私人定制和声学主动降噪等方面，有着广泛的应用前景和较高的商业价值。
阵列排布与阵列性能紧密相关。目前，国内外所应用的阵列排布方式有矩形网格阵列、十字轴阵列、圆环阵列、周期性阵列、非规则的阿基米德螺旋阵列、轮形阵列、扇形轮阵列、环形和阿基米德螺旋组合方式等。在进行波束成形算法过程中，以麦克风阵列为例，传统的排布方式由于对称性较高，在特定方向容易形成强度较大的旁瓣，影响对主瓣的识别，降低对声源识别的准确性。这对于扬声器阵列则会降低声信号能量传输效率，令声能量过多的向非指定方向传播。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置，利用超齐构无序排布的坐标点来排列声学器件，能够提高主瓣/最大旁瓣比，降低旁瓣对主瓣的影响，提高声源识别的准确性，提升声信号传输精度和效率。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：在方形区域内随机产生N个粒子，相邻粒子之间的最小距离大于扬声器的直径；
步骤二：给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，χ的取值范围为0＜χ＜1；
步骤三：根据M=2Nχ，得到受约束的自由度数目M；
步骤四：从小到大依次选取整数nx和ny，共选取M组，且保证
Figure 537548DEST_PATH_IMAGE001
，根据下式计算周期性边界条件对应的倒空间波矢
Figure 2159DEST_PATH_IMAGE002
，共得到M个
Figure 313054DEST_PATH_IMAGE002
Figure 239422DEST_PATH_IMAGE003
步骤五：计算任意两个粒子坐标之间的关系
Figure 584953DEST_PATH_IMAGE004
Figure 689306DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 753077DEST_PATH_IMAGE006
为第j个粒子的坐标，
Figure 483136DEST_PATH_IMAGE007
为第l个粒子的坐标；
步骤六：计算粒子坐标相互关系的总势能ϕ
Figure 417594DEST_PATH_IMAGE008
其中，Lx和Ly为方形区域的两个边长；
步骤七：基于有约束非线性优化算法，寻找满足总势能ϕ接近理论最小值ϕmin=-MN/(Lx*Ly)的坐标分布
Figure 955498DEST_PATH_IMAGE009
，并根据该坐标分布排布声学收发阵列。
进一步地，序参量χ的取值范围为0.1≤χ≤0.7。
进一步地，所述有约束非线性优化算法为MATLAB函数fmincon。
一种由上述的声学收发阵列排布方法生成的声学收发阵列。
一种用于波束成形的声学收发阵列排布装置，包括一个多个处理器，用于实现上述的用于波束成形的声学收发阵列排布方法。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明提出的用于波束成形的声收发阵列排布方法，利用超齐构无序排布的坐标点来排列声学器件。相对于传统的排布方式，通过本发明的方法得到的超齐构无序排布的声收发阵列来排布声学器件，提高了这些声学器件产生的声场的主瓣/最大旁瓣比，降低旁瓣对主瓣的影响，提高声源识别的准确性，提升声信号传输精度和效率。
（2）通过本发明的方法得到的超齐构无序排布的声收发阵列可进行平移复制，以产生规模更大的点阵，相较于其他针对随机阵列的优化算法，极大地节省了计算资源和运算时间。
附图说明
图1为三种典型结构体系观察窗内的粒子数目的方差随观察窗体积的变化关系图；其中，左列为周期性体系以及对应的结构因子，中列为超齐构无序体系以及对应的结构因子，右列为无序体系及其对应的结构因子。
图2为二维情况下N个粒子在区域Lx×Ly内的排布示意图，图中虚线为周期性边界。
图3为本发明实施例所产生的χ=0.5超齐构无序扬声器阵列与周期阵列、无序阵列的远场声辐射方向图的对比图。
图4为序参量在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时超齐构体系中坐标点在实空间中的分布及对应的结构因子。
图5为本发明实施例所产生的周期排布扬声器阵列随仰角
Figure 240986DEST_PATH_IMAGE010
变化的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0°、ϕ=0°，θ=30°、ϕ=0°，θ=60°、ϕ=0°方向。
图6为本发明实施例所产生的超齐构无序扬声器阵列随仰角
Figure 509156DEST_PATH_IMAGE010
变化的的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0°、ϕ=0°，θ=30°、ϕ=0°，θ=60°、ϕ=0°方向。
图7为本发明实施例的由原始超齐构无序坐标点阵拓展至更大规模超齐构坐标点阵的示意图。
图8为本发明实施例所产生的更大规模超齐构坐标点阵扬声器阵列随仰角
Figure 314432DEST_PATH_IMAGE010
变化的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0°、ϕ=0°，θ=30°、ϕ=0°，θ=60°、ϕ=0°方向。
图9为本发明实施例的用于波束成形的声学收发阵列排布装置的示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
超齐构体（Hyperuniformity）的概念是作为衡量点阵有序程度的度量标准而提出的，根据点阵的局部密度涨落来对点阵进行分类。在d欧拉空间Rd中，考虑包含在半径为R的球形观察窗Ω的任意点阵，点阵的粒子数目为NΩ。当R非常大时，对于满足泊松分布的点阵，粒子数目的方差随着观察窗的体积而变化：
Figure 275435DEST_PATH_IMAGE011
。这里的符号
Figure 48219DEST_PATH_IMAGE012
表示对不同构型的统计平均。通过对粒子分布的密度涨落进行抑制，使得粒子数目的方差随着观察窗的表面积而变化：
Figure 854501DEST_PATH_IMAGE013
，满足这种条件的点阵分布被称之为“超齐构”体系。对于典型的无序体系，比如液体和玻璃，粒子数目的方差
Figure 779863DEST_PATH_IMAGE014
。相比之下，对于所有完美晶体和准晶体
Figure 646187DEST_PATH_IMAGE013
。图1中的上排图展示了三种典型体系（周期性体系、超齐构体系、无序体系）在观察窗Ω内的粒子分布。从倒空间的角度更容易理解超齐构的概念，在d欧拉空间Rd中，一个超齐构多粒子体系的密度涨落，在长程的尺度上受到了抑制，意味着在波数
Figure 906267DEST_PATH_IMAGE015
趋近于零时，结构因子
Figure 516240DEST_PATH_IMAGE016
趋近于零，即
Figure 561688DEST_PATH_IMAGE017
。其中，结构因子
Figure 598914DEST_PATH_IMAGE016
可表示为：
Figure 80711DEST_PATH_IMAGE018
结构因子在数学上是点阵的傅里叶变换，物理意义上类似于晶体学实验中的干涉图样。值得注意的是，当
Figure 759954DEST_PATH_IMAGE015
严格等于零时，结构因子
Figure 397258DEST_PATH_IMAGE016
等于
Figure 870965DEST_PATH_IMAGE019
，本发明是强调
Figure 840058DEST_PATH_IMAGE020
的情况，粒子分布的密度涨落在长程上（R非常大时）受到了抑制。
不同体系在倒空间的结构因子展示在图1的下排图。对于周期性阵列，可以观察到对称性很高的亮斑，对应于布拉格衍射。完全无序阵列的结构因子分布很均匀，表明体系的对称性很低，坐标点的空间分布杂乱无章。超齐构阵列的结构因子在圆圈内为零（原点附近的亮斑源自于计算体系有限带来的误差，无序结构中类同），在圆圈外分布均匀，表明体系在长距离上的密度涨落受到了抑制，表现出各向同性的长程序（long-range order），在短程分布上表现为无序。超齐构无序体系可以被视为介于晶体（周期性结构）和液体（无序结构）之间的独特物态：类似于完美晶体，长程密度涨落受到了抑制；同时，类似于液体或玻璃，在统计上各向同性，没有布拉格衍射。因此，超齐构无序体系兼具两者的特性。
以上仅讨论了结构因子
Figure 526254DEST_PATH_IMAGE021
在
Figure 546294DEST_PATH_IMAGE022
时的情况，接下来讨论满足条件
Figure 925323DEST_PATH_IMAGE023
的
Figure 647291DEST_PATH_IMAGE024
值范围增大的情况，称之为赝超齐构（Stealthy Hyperuniform）。实际计算中，通常会考虑对一个有限大体系施加周期性边界来模拟一个无限大体系的性质。如图2所示，以二维情况为例，讨论N个粒子在区域Lx×Ly内的排布，图中的黑色虚线表示周期性边界条件，对应的倒空间波矢可以表示为
Figure 402758DEST_PATH_IMAGE025
。无限大体系的连续波矢转变为一系列离散的倒格矢。每个粒子有
Figure 746145DEST_PATH_IMAGE026
两个坐标，因此体系总的自由度数目为2N。
对体系的自由度进行逐步约束以实现从完全无序向有序的转变。具体为：
定义序参量χ=M/2N为受约束的自由度数目与总自由度数目之间的比值，其中2M+1为满足条件
Figure 561655DEST_PATH_IMAGE027
的倒格矢
Figure 505340DEST_PATH_IMAGE028
的数目。从序参量χ=0开始，随着χ值增大，受约束的自由度逐渐增加，“齐构性”（密度涨落受到抑制）逐渐从长程（long range）向中短程（middle/short range）进行过渡。
上述内容概述了“超齐构体”的概念，通过增加序参量χ值，粒子在空间中的密度涨落逐步从长程至中/短程受到抑制，体系的“齐构性”逐步增强，从完全无序过渡到周期性排列。将从无序（齐构性低）至周期排布（齐构性高）各种不同的空间分布统称为“超齐构无序”（Hyperuniform disorder）。
扬声器阵列波束形成(Microphone Array Beamformer)作为指向性声发射的方法之一，是利用多个扬声器产生一个具有指向θS的声源，即阵列的合成声场有指向角度的主瓣(Main lobe)。传统的扬声器排布阵列有矩形网格阵列、十字轴阵列、圆环阵列、周期性阵列等，由于对称性较高，在特定方向容易形成强度较大的旁瓣，影响对主瓣的识别。采用本发明的方法生成的超齐构坐标点阵进行扬声器阵列排布，能够提高辐射声场的主瓣/最大旁瓣比，降低最大旁瓣对主瓣的影响。
本发明的用于波束成形的声学收发阵列排布方法，具体包括如下步骤：
步骤一：在方形区域内随机产生N个粒子，相邻粒子之间的最小距离大于扬声器的直径；本实施例产生的方形区域和随机粒子如图2所示。
步骤二：给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，χ的取值范围为0＜χ＜1；
步骤三：根据M=2Nχ，得到受约束的自由度数目M；
步骤四：从小到大依次选取整数nx和ny，共选取M组，且保证
Figure 64497DEST_PATH_IMAGE029
，根据下式计算周期性边界条件对应的倒空间波矢
Figure 527971DEST_PATH_IMAGE030
，共得到M个
Figure 248802DEST_PATH_IMAGE030
Figure 679783DEST_PATH_IMAGE031
步骤五：计算任意两个粒子坐标之间的关系
Figure 790434DEST_PATH_IMAGE032
Figure 623261DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 514994DEST_PATH_IMAGE034
为第j个粒子的坐标，
Figure 167692DEST_PATH_IMAGE035
为第l个粒子的坐标；
步骤六：计算粒子坐标相互关系的总势能ϕ
Figure 84964DEST_PATH_IMAGE036
其中，Lx和Ly为方形区域的两个边长；
步骤七：基于有约束非线性优化算法，寻找满足总势能ϕ接近理论最小值ϕmin=-MN/(Lx*Ly)的坐标分布
Figure 241138DEST_PATH_IMAGE037
，并根据该坐标分布排布声学收发阵列。
优选地，序参量χ的取值范围为0.1≤χ≤0.7；当序参量χ=0时，超齐构无序点阵体系表现为完全无序；当序参量χ=0.7时，超齐构无序点阵体系坍缩至周期性阵列。
优选地，有约束非线性优化算法为MATLAB函数fmincon。不同的优化算法及不同的初始随机坐标可产生不同的超齐构无序坐标点阵。所产生的超齐构无序点阵可用于排布声学发射单元以产生定向音响。
图3中对比了周期排列、无序排列、χ=0.5超齐构无序排列三种扬声器阵列对远场声辐射方向的影响。假设所有扬声器为等同的，不考虑扬声器之间的相互耦合，阵列的远场声辐射方向仅与阵列排布有关，可表示为
Figure 569352DEST_PATH_IMAGE038
,其中
Figure 974925DEST_PATH_IMAGE039
，θ、ϕ为仰角和方位角，
Figure 413997DEST_PATH_IMAGE040
为点阵在平面上的坐标矢量。图3中第二行展示了频率为f=f0时的声辐射方向图，f0是周期阵列的阵元距离为半波长时所对应的频率。第三行和第四行展示了频率为f=3f0时的声辐射方向图和俯视图。对于周期排列，可以观察到很强的旁瓣，主要来源于结构的衍射。对于无序排列和χ=0.5超齐构无序排列，旁瓣消失了。值得注意的是，对于超齐构无序排列，主瓣附近出现了辐射极小的区域（围绕原点附近的深色区域），进一步凸显了主瓣。第五行展示了主瓣方向被偏转θ=30°角度时的辐射方向图，几乎很难判断无序阵列中的主瓣方向，而超齐构无序阵列中的主瓣方向清晰可见，且主瓣附近的声辐射受到了较强的抑制。超齐构无序阵列兼具无序和周期阵列的特点，类似于无序阵列，旁瓣受到了抑制；类似于周期阵列，主瓣附近出现了辐射极小的区域。
图4展示的是序参量χ分别为0.1-0.5，超齐构体系中坐标点在实空间中的分布及对应的结构因子。在χ=0.1时，粒子倾向于形成团簇，在空间中留下大片的空白区域，对应的结构因子
Figure 972148DEST_PATH_IMAGE041
仅在围绕原点附近的区域内满足为零（中心深蓝色区域）。随着χ值的增加，粒子团簇的现象逐渐消失，在空间中的分布逐步均匀，或称为体系的齐构性逐渐增强，满足
Figure 471263DEST_PATH_IMAGE042
的
Figure 98553DEST_PATH_IMAGE043
值的区域逐步增大。χ=0.5时，在对应的结构因子（衍射图谱）中，围绕原点半径为kc的圆形区域内为禁带。体系的密度涨落从无限远1/(k=0)直至特定的长度Lc，即Lc~1/kc范围内均受到了抑制。通过控制单个参量χ，可以调节体系在不同尺度上的密度涨落，χ接近于0时，体系表现为完全无序，χ=0.3-0.5时，体系表现为高度齐构，χ=0.7时，体系坍缩至周期性阵列。
图5和图6分别展示了超齐构阵列与周期阵列沿ϕ=0°切面的远场声辐射方向，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0°、ϕ=0°，θ=30°、ϕ=0°，θ=60°、ϕ=0°方向，在图5中，可以清晰地观察到旁瓣，而在图6中，旁瓣受到了抑制。
采用本发明的方法产生的超齐构无序坐标点阵很方便进行拓展，沿x、y方向平移(pLx,qLy)复制即可得到新的坐标点振，其中(p,q)为整数。图7中展示了对χ=0.5超齐构无序坐标点阵沿x、y方向平移3Lx×3Ly后得到坐标点阵，坐标点阵中的粒子总数目为9N=1800。为了方便展示，原始坐标点阵向左下角方向移动了一定距离。对于拓展后得到的坐标点阵，具有与原始坐标点阵类似的性质。图8展示了坐标点阵扬声器阵列随仰角
Figure 92048DEST_PATH_IMAGE010
变化的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0°、ϕ=0°，θ=30°、ϕ=0°，θ=60°、ϕ=0°方向，与图6类似，主瓣方向清晰可见，且主瓣附近的声辐射受到了较强的抑制。
本发明实施例中所产生的超齐构无序坐标点阵可直接进行平移复制以产生规模更大的点阵，相较于其他针对随机阵列的优化算法，极大地节省了计算资源和运算时间。
与前述阵列排布方法的实施例相对应，本发明还提供了用于波束成形的声学收发阵列排布装置的实施例。
参见图9，本发明实施例提供的一种用于波束成形的声学收发阵列排布装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的用于波束成形的声学收发阵列排布方法。
本发明的用于波束成形的声学收发阵列排布装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。
Figure 488394DEST_PATH_IMAGE044
以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图9所示，为本发明用于波束成形的声学收发阵列排布装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图9所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。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发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的基于自注意力机制的通用图像目标检测方法。
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(SmartMedia card, SMC)、SD卡、闪存卡(Flash card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算仉程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储己经输出或者将要输出的数据。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：在方形区域内随机产生N个粒子，相邻粒子之间的最小距离大于扬声器的直径；
步骤二：给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，χ的取值范围为0＜χ＜1；
步骤三：根据M=2Nχ，得到受约束的自由度数目M；
步骤四：从小到大依次选取整数nx和ny，共选取M组，且保证
Figure 253671DEST_PATH_IMAGE001
，根据下式计算周期性边界条件对应的倒空间波矢
Figure 368257DEST_PATH_IMAGE002
，共得到M个
Figure 162513DEST_PATH_IMAGE002
Figure 678945DEST_PATH_IMAGE003
步骤五：计算任意两个粒子坐标之间的关系
Figure 785442DEST_PATH_IMAGE004
Figure 387324DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 722622DEST_PATH_IMAGE006
为第j个粒子的坐标，
Figure 359139DEST_PATH_IMAGE007
为第l个粒子的坐标；
步骤六：计算粒子坐标相互关系的总势能ϕ
Figure 370958DEST_PATH_IMAGE008
其中，Lx和Ly为方形区域的两个边长；
步骤七：基于有约束非线性优化算法，寻找满足总势能ϕ接近理论最小值ϕmin=-MN/(Lx*Ly)的坐标分布
Figure 210869DEST_PATH_IMAGE009
，并根据该坐标分布排布声学收发阵列。
2.根据权利要求1所述的用于波束成形的声学收发阵列排布方法，其特征在于，序参量χ的取值范围为0.1≤χ≤0.7。
3.根据权利要求1所述的用于波束成形的声学收发阵列排布方法，其特征在于，所述有约束非线性优化算法为MATLAB函数fmincon。
4.一种由权利要求1~3中任意一项的声学收发阵列排布方法生成的声学收发阵列。
5.一种用于波束成形的声学收发阵列排布装置，其特征在于，包括一个多个处理器，用于实现权利要求1-3中任一项所述的用于波束成形的声学收发阵列排布方法。
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