CN117406173A

CN117406173A - 一种声源检测用波束形成方法及装置

Info

Publication number: CN117406173A
Application number: CN202311687263.XA
Authority: CN
Inventors: 覃业梅; 张玉郴; 赵慎; 周鲜成; 范国滨; 胡博飓
Original assignee: Xiangjiang Laboratory
Current assignee: Xiangjiang Laboratory
Priority date: 2023-12-11
Filing date: 2023-12-11
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2043-12-11
Also published as: CN117406173B

Abstract

本发明实施例提供了一种声源检测用波束形成方法及装置，涉及声源检测技术的技术领域。其方法包括：获取声源信号；对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成；基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息；对所述修正导向向量信息以及所述阵列流形矩阵信息进行鲁棒波束计算，以得到第二波束形成。通过本发明，解决了声源检测精度低的问题，进而达到了提高声源检测精度的效果。

Description

一种声源检测用波束形成方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及通信领域，具体而言，涉及一种声源检测用波束形成方法及装置。

背景技术

波束形成是一种对传声器阵列采集信号处理得到声源位置和声源功率强度的技术，且广泛的应用于声源的识别与检测中。常规波束形成方法是简单的延迟和叠加传声器信号，这也导致常规波束形成方法空间分辨率不高的问题，又由于声信号本身的频域较宽，且在实际情况下会有多个性质不定的声源同时存在，特别是在钢铁生产领域，在板材轧制过程中，多个声源的会对基于常规波束形成的声源检测造成较多的影响，从而使得板材质量检测存在较多的误差，降低了检测精度。

因而需要一种新的声源检测方法以适应复杂声源环境。

发明内容

本发明实施例提供了一种声源检测用波束形成方法及装置，以至少解决相关技术中声源检测精度低的问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种声源检测用波束形成方法，包括：

获取声源信号；

对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成，其中，所述第一波束形成包括阵列流形矩阵信息以及信号维度向量信息；

基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息；

对所述修正导向向量信息以及所述阵列流形矩阵信息进行鲁棒波束计算，以得到第二波束形成。

在一个示例性实施例中，在所述对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成之后，所述方法还包括：

对所述阵列流形矩阵信息以及信号维度向量信息进行惩罚内积计算，以得到第三波束形成。

在一个示例性实施例中，所述基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息包括：

根据所述信号维度向量信息，确定目标向量方向；

基于所述目标向量方向，确定所述修正导向向量信息。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种声源检测用波束形成装置，包括：

声源采集模块，用于获取声源信号；

第一波束确定模块，用于对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成，其中，所述第一波束形成包括阵列流形矩阵信息以及信号维度向量信息；

导向信息确定模块，用于基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息；

第二波束确定模块，对所述修正导向向量信息以及所述阵列流形矩阵信息进行鲁棒波束计算，以得到第二波束形成。

在一个示例性实施例中，所述装置还包括，

第三波束确定模块，用于在所述对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成之后，对所述阵列流形矩阵信息以及信号维度向量信息进行惩罚内积计算，以得到第三波束形成。

在一个示例性实施例中，所述导向信息确定模块包括：

方向确定单元，用于在所述基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息之前，根据所述信号维度向量信息，确定目标向量方向；

向量确定单元，用于基于所述目标向量方向，确定所述修正导向向量信息。

根据本发明的又一个实施例，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

根据本发明的又一个实施例，还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

通过本发明，由于通过修正导向向量信息对波束形成进行调整，以避免测量环境和测量设备造成的导向向量失配误差，从而增强波束形成效果，因此，可以解决声源检测精度低的问题，达到提高声源检测精度的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的一种声源检测用波束形成方法的移动终端的硬件结构框图；

图2是根据本发明实施例的一种声源检测用波束形成方法的流程图；

图3是根据本发明具体实施例的实验现场示意图；

图4是根据本发明具体实施例的实验结果示意图一；

图5是根据本发明具体实施例的实验结果示意图二；

图6是根据本发明具体实施例的实验结果示意图三；

图7是根据本发明具体实施例的实验结果示意图四；

图8是根据本发明具体实施例的实验结果示意图五；

图9是根据本发明具体实施例的实验结果示意图六；

图10是根据本发明实施例的一种声源检测用波束形成装置的结构框图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的实施例。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本申请实施例中所提供的方法实施例可以在移动终端、计算机终端或者类似的运算装置中执行。以运行在移动终端上为例，图1是本发明实施例的一种声源检测用波束形成方法的移动终端的硬件结构框图。如图1所示，移动终端可以包括一个或多个（图1中仅示出一个）处理器102（处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置）和用于存储数据的存储器104，其中，上述移动终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述移动终端的结构造成限定。例如，移动终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的一种声源检测用波束形成方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至移动终端。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。

传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括移动终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

在本实施例中提供了一种声源检测用波束形成方法，图2是根据本发明实施例的一种声源检测用波束形成方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S201，获取声源信号；

在本实施例中，声源信号的获取是通过64 阵列数的多臂螺旋阵列得到的，该阵列中包括多个用于接收声源信号的阵元（例如麦克风等），多臂螺旋阵列的阵列孔径为0.15m，声源点所在的扫描面距离多臂螺旋阵列 0.8m（如图3所示），可以理解的是，阵列的阵列数、阵列孔径以及扫描面与阵列之间的距离可以根据实际的场地条件进行调整，以适应不同的场景条件，本实施例的相关数据是作为示例性内容进行说明。

步骤S202，对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成，其中，所述第一波束形成包括阵列流形矩阵信息以及信号维度向量信息；

在本实施例中，对声源信号进行常规波束形成计算，以通过对各个阵元接收到的期望信号进行相反的时延补偿，然后将各个阵元的时延补偿的信号进行相加，以使各个阵元接收到的信号同相叠加，增强输出信号的强度，同时将噪声和干扰进行非同相叠加，提高输出信噪比，如图4-5所示，分别为通过第一波束形成（即常规波束形成）对6kHz和10kHz的单声源进行声源检测的实验结果，很明显，其检测结果较为粗糙，只能确定声源的大致位置。

其中，进行第一波束形成计算是基于公式1实现的：

（1）

式中，表示扫描面中第n个扫描网格点的波束输出功率，/>为声源信号的N维向量/>中的元素，N表示网格点总数，/>，信号维度向量信息包括N维向量/>；/>表示互谱矩阵，即/>，/>表示阵列接收声源数据M维向量，M表示传声器阵列总数，/>为/>的共轭转置；/>表示第n个网格点的导向向量，/>表示导向向量的共轭转置，/>具体表示为：

（2）

其中，表示第m个传声器到第n个网格点的距离，f表示给定频率，c表示声速，/>是阵列流形矩阵/>中的一个元素，阵列流形矩阵信息包括阵列流形矩阵/>。

进一步的，由于常规波束形成是通过阵元接受信号进行延时求和得到的，具体关系可以表示为：

（3）

此时可以看出是由/>得到的。

步骤S203，基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息；

在本实施例中，导向向量失配会影响各扫描网格点的值，使得波束形成的结果受到干扰，此时可以加入最陡上升调整导向矢量的步骤，即在阵列空间中，沿着直线移动转向向量，直到到达局部最大值或达到转向向量变化量的极限（即修正导向向量信息），从而提高声源信号检测的精确度。

步骤S204，对所述修正导向向量信息以及所述阵列流形矩阵信息进行鲁棒波束计算，以得到第二波束形成。

在本实施例中，在对导向矢量进行调整后，能够避免导向向量在适配情况下峰值缺失的缺陷，从而使最终的第二波束形成具有较高的精确性。

具体的，鲁棒波束计算通过下述公式实现：

（4）

（5）

其中，表示加入惩罚机制下的波束形成（对应后述第三波束形成），为第二波束形成，/>为尺度参数，/>取值为/>取到峰值时对应的t值，具体为：

（6）

（7）

式中，为修正后的最陡上升方向向量，/>、/>、/>分别为简化计算提出的代量，即为取值后的尺度参数t，随后将/>带入（4）中得到第二波束形成的输出结果。

如图6-7所示，图6中 (0，-0.14)的声源点几乎消失，这是因为导向向量失配现象产生了干扰，使得波束形成效果受到影响，图7表示进行导向向量调整后的第二波束形成对声源信号进行检测的结果，相较于图6，可以明显看出第二波束形成可以有效解决峰值缺失问题，由此将本申请用于钢铁生产时，能够精确检测到板材加工过程中出现的异常声源，使工作人员能够及时对出现异常声源的区域进行检修，从而保证板材生产的质量。

通过上述步骤，由于通过修正导向向量信息对波束形成进行调整，以避免测量环境和测量设备造成的导向向量失配误差，从而增强波束形成效果，解决了声源检测精度低，提高了声源检测精度。

其中，上述步骤的执行主体可以为基站、终端等，但不限于此。

在一个可选的实施例中，在所述对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成之后，所述方法还包括：

在本实施例中，除了进行导向向量调整，还可以直接进行惩罚内积计算以直接得到新的波束输出。

具体的，基于前述公式（3），令，对/>取值后得到的矩阵为惩罚矩阵，是为了后续计算进行“惩罚”，具体的：

（8）

其中，L是指取值在区间[0,1]的向量，当（即/>项对应的/>）时，代表声源平面中扫描到了信号最大值，即最有可能的声源点，可以看出此时/>中除/>项等于1之外，其余项都小于1，且/>的各值大小都与向量/>的值对应。

将矩阵看作向量，又把/>看作一个惩罚向量，再计算两向量的内积，可以得到向量/>，可以看出这相当于在每个导向向量乘入了一个参数，且只有保持不变，其余导向向量均受到“惩罚”（即乘以小于1的参数），再用/>重新计算得到新的波束输出（即第三波束形成的输出）：

（9）

从而达到降低旁瓣的效果，其中，将公式（9）代入前述公式（1）可以得到第三波束形成的相关函数，在对/>进行导向向量的修正后代入公式（4）-（5）即可得到第二波束形成的相关函数/>。

需要说明的是，以上述操作得到的波束形成输出对动态范围内的信号检测结果的改善是有限的，此时通过循环迭代此操作，可以得到旁瓣更低，主瓣宽度更窄的输出结果（即第三波束形成，该波束形成是基于惩罚机制的波束形成），且根据其原理可以知道，随着迭代次数的增加效果越好；如图8-9所示，图8为常规波束形成下的声源检测结果，图9为第三波束形成的检测结果，明显相较于图8，图9的检测精度更高。

在一个可选的实施例中，所述基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息包括：

步骤S2031，根据所述信号维度向量信息，确定目标向量方向；

步骤S2032，基于所述目标向量方向，确定所述修正导向向量信息。

在本实施例中，当存在导向向量失配时，假设失配量用g表示，失配状态下的阵列流型矩阵表示为：

（10）

根据上式（10）计算第三波束形成的输出PMB：

（11）

其中，表示受到失配影响后的/>，从公式（11）可以看出，当有两个及以上声压相同的相干声源时，因为导向向量失配导致某些声源点受到“惩罚”，会造成峰值损失甚至缺失的情况。

而在引入修正导向向量信息对导向向量进行调整后则可以避免该情况，具体的，确定导向方向的过程包括：

首先进行规范化处理，以改变h但不改变其长度，其最大化的函数为：

（12）

最陡上升的方向是根据得到的，具体表达式为：

（13）

由此确定导向方向，随后归一化方向向量，以确定修正导向向量信息：

（14）

需要说明α与是正交的，将α带入到公式（12）中即可得到前述鲁棒波束计算的相关公式。

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根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以通过软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

在本实施例中还提供了一种声源检测用波束形成装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图10是根据本发明实施例的一种声源检测用波束形成装置的结构框图，如图10所示，该装置包括：

声源采集模块91，用于获取声源信号；

第一波束确定模块92，用于对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成，其中，所述第一波束形成包括阵列流形矩阵信息以及信号维度向量信息；

导向信息确定模块93，用于基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息；

第二波束确定模块94，对所述修正导向向量信息以及所述阵列流形矩阵信息进行鲁棒波束计算，以得到第二波束形成。

在一个可选的实施例中，所述装置还包括，

在一个可选的实施例中，所述导向信息确定模块93包括：

需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

在一个示例性实施例中，上述计算机可读存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器（Read-Only Memory，简称为ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称为RAM）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明的实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

在一个示例性实施例中，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及示例性实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以通过不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种声源检测用波束形成方法，其特征在于，包括：

获取声源信号；

基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对所述声源信号进行第一波束形成计算，以得到第一波束形成之后，所述方法还包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述信号维度向量信息，确定修正导向向量信息包括：

根据所述信号维度向量信息，确定目标向量方向；

基于所述目标向量方向，确定所述修正导向向量信息。

4.一种声源检测用波束形成装置，其特征在于，包括：

声源采集模块，用于获取声源信号；

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括，

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述导向信息确定模块包括：

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至3任一项中所述的方法。

8.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至3任一项中所述的方法。