CN1299538C - 用于波束形成阵列的立体角串音对消的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于由诸如麦克风的传感器改善信号轴上拾音的非自适应系统和方法，这里，由传感器接收的信号能够用波瓣或者波束空间地表示，通过消除波束的边沿部分来改善轴上拾音。输入信号或者信号具有预定的位置，而不论该位置是在极坐标图中的0度位置或者其它位置，并且，该系统产生一个尽可能窄的输出波束宽度。处理所接收信号(或多个信号)的输入波束以产生对消波束，并接着利用相位或者时间延迟将对消波束转向，以和所想要输出波束的所想要输入波束外沿重叠。接着，通过叠加，从产生更窄波束宽度的输出波束的所想得到的输入波束中减去对消波束，并因此通过自动地排除认为可能是串音源或者一般来说为不想要的信号而改善轴上拾音。

Description

用于波束形成阵列的立体角串音对消的系统和方法
技术领域
本发明涉及麦克风，具体地说，是由麦克风所接收的信号的干扰对消，并且，尤其涉及用于通过减去来自由所述波束方向图和单个或者多个重叠波束方向图所共享的空间区域的信号来消除信号的立体角串音和压缩波束的宽度方向图的技术。
背景技术
在声学(语音)信号处理中，通过合并两个信号能够从另一个信号中减去一个信号，也就是通常所说的叠加。更精确地讲，任何信号的对消可以通过该信号的反相的精确复制信号与其自身、或者与和所述信号的精确反相信号高度相关的第二信号的线性叠加来实现。例如，代表性地，信号是具有分别表示来自信号波形的平均值的正偏移和负偏移的波峰和波谷的正弦信号。当所述第二信号和第一信号合并时，沿着两个信号或者波形的交线上的每个点是对两个信号的偏移求和。当在特定的点对正的偏移和负的偏移求和时，在该点所得的所合并的波形是两个偏移中的差。当对两个正的偏移求和时，在该点所得的合并波形是偏移的和。
传感器将声信号转换为模拟电信号。尽管为方便将声信号简单地称作“信号”，但是，明确地讲，声信号是通过传感器到介质的物理连接在静态平均气压附加的大气压缩和扩张的连续电压变换(模拟)。对于声学应用，所述传感器是麦克风、水中探测器(hydrophone)、地震检波器(geophone)或者类似设备。数字信号是通过模数转换器(ADC)从所述模拟信号到数字数据的变换。
在此合并Marash等人的美国专利第6,049,607号(‘607)，以作参考。‘607参考文献描述了用于对消信号、尤其是回波或者多路径的系统。在一个实施例中，‘607使用了接收器的线性或者任意的分布。在此实施例中，‘607通过识别由多个具有时间延迟转向(steering)的麦克风所接收的信号来消除回波，并且将此信号和含有输入信号的第二通道比较。由此系统识别出在第二麦克风的信号为远场回波，并通过叠加从由多个麦克风所接收的总信号中减去所述信号。通过选择一个或者多个输入波束形成器、以及限带自适应滤波器实现叠加方法。这样一种系统是连续自适应的。
更具体地讲，‘607对大量所转向的波束使用连续自适应数字信号处理(DSP)以从在传输空间中由阵列所接收的谈话者(目标信号)的语音中减去来自在传输线的另一端的某个人的信号。通过对多个波束运行大量的限带自适应滤波器并且从“目标”信号中减去输出信号来做到这一点。当滤波器连续地“寻找”要对消的信号(即，连续地适应)，这能够导致背景噪声的“猛升猛降(pumping)”-只要满足门限条件。在此所使用的“猛升猛降”是指这样一种情形，其中输出是不固定的，并因此，背景输出不断变换。这将产生多信号的交叉泄漏、回波以及信号特征的快速变化。在下面的讨论中，术语“噪声”是指任何被考虑为不需要的输出的信号。
简单地说，通过将来自多个波束的信号划分为限带的频率域，并且使认为不需要的限带信号不通过来进行‘607中的滤波。‘607的处理是根据所接收的信号自适应，并且必须基于所接收的信号连续地重复计算所述转向处理。‘607处理将多个波束的信号分成限带的频率域，并每次在输出重新合并之前自适应滤波每个域。这使得输出信号的质量不断变化。
由Audio-Technica公司制造并以名称AT-895推向市场的麦克风系统加入了Marash等人的美国专利第5,825,898(‘898)和Green等人的美国专利第6,084,973(‘973)的方法，这两个专利每个都在此引入，以作参考。将麦克风组所接收的信号划分为多个固定频带宽度的信号，并分析该多个信号，以得出不想要/干扰的信号。在参考波束或者麦克风附近转向限带波束，并从参考波束或者麦克风中减去限带波束。在此所使用的“转向波束”是用于以信号的极图表示法描述在参考点附近旋转波束的术语。在此所使用的术语“自适应”是指系统不断地监控输入信号并消除被认为是不需要/干扰的信号、连续地调整波束的转向、和连续地调整用于经过滤波减去重叠部分的情况。这就是为本领域所周知的“零位转向(null steering)”，或者因为它包括限带自适应滤波，所以被认为是“限带零位转向(bandlimited null steering)”。
‘898和‘973参考文献基于在诸如针对免提电话的语音的电信应用中起源的原理，这种原理已经被应用于高端语音系统。因此，它仅仅对窄带信号范围(带宽)非常适用，并且适当地起着作用。所以，在宽的带宽上，‘898处理用于高质量的语音接收、处理和放大的全范围的声信号时存在问题。因此，由‘898和‘973参考文献所教导并由AT-895麦克风所使用的方法存在大量问题。
‘898和‘973的方法被附加的和/或复合的(complex)(可变状态)信号所混淆。到达主轴的信号是用户所需要的，而偏离主轴到达的信号被认为是不需要的。基于连续自适应而(频率和时间相关的原理)对限带对消波束调整角度。因为用于回波(echo)的时间延迟可以足够大，以致系统可以不再将它视为是回波而相反把它作为新信号，所以当分析反射时，所述方法会遇到不同的问题。多路径声信号同样也能够引起信号处理的问题。当以多个方向对多个波束转向时，将相对于频率恒定地改变着转向的方向。当系统必须隔离或者维持不断变化的对消或者“零位转向”波束时，根据语音源的变化，波束可以消失或者再现，由麦克风系统利用这些方法的可能的处理取决于系统硬件能够支持的同时自适应的波束的数量。所得的作为频率函数的麦克风的方向图因此是不固定的，并永远在变化。
另外，如果不适当地对消，则背景噪声能够猛升猛降。用简单术语所称的猛升猛降就是由在以不同立体角所指的拾音方向图之间连续自适应切换并因此由包含在时间上的各种频谱成分(区分频率特征的不同)所引起的输出信号的快速变化。如果叠加的噪声信号不是对不希望的信号的变换或者与不希望信号高度相关，诸如简单地在时间(相位)上的不正确的对齐或者其它的错误应用，则所叠加的信号增加总的被合并的不相关信号(噪声)，来代替使得不需要的信号趋向于零幅度(由此降低所需要的信号对噪声的比率)。由于在基于波束形成器的叠加或者根据连续自适应变化的零位的输出信号的频谱成分中的快速变化，将此称作为猛升猛降。而且，通过实现限带零位转向，整个的传感器阵列的全部拾音方向图的整体形状将会连续变化。这可以导致在一组频带上的非常不稳定的拾音方向图。离轴信号(噪声、不需要的信号)升降，会使得噪声电平随着波束方向图和它们与连续自适应的信号相联系的输出频谱而升高或者降低。简单地讲，利用连续地自适应信号处理方法会导致在本领域所公知的大量问题。
作为由第6,049,607‘607，6,084,973以及5,825,898号的这些美国专利所披露的方法和装置的问题的结果，连续自适应麦克风拾音算法不适用于与高质量语音应用相联系的复合信号，尤其在所封闭的环境中，例如，因为它们会将诸如声音反射的多个信号路径提供给传感器，而导致连续可变的信号输出。
波束形成是公知的，并能够用多种方法实现它。在要求多个传感器或者传感器组件的系统中形成波束是可能的，并且最为典型。不过，正如由Ohkubo等人在美国专利第5,862,240号所述，利用单个传感器是可能的。Ohkubo针对的是利用到单个麦克风或者传感器组件的多个声音路径的系统，并且在此引入其说明书，以作参考。而且，为了波束形成和转向的目的，将多个绝缘管和可变长度相联系的并用于衰减和相移的在多个管中的声音是本领域所周知的。而且，由Baumhauer等人的第5,651,074号美国专利以及由Allen等人的第5,848,172号的美国专利披露了形成波束的其它装置。在此引用其说明书，以作参考。
发明内容
本申请人已经通过对空分滤波和声信号处理的进一步理解总结出用于改善轴上(on-axis)拾音的更好的方法，该方法是通过适当比例的信号的逆叠加，从与一个或者多个主(用户需要的)拾音方向图共享重叠立体角或者空间区域的一个或者多个拾音(pickup)方向图中简单地删除离轴拾音。此处，申请人已经总结出：参考专利所披露的方法或者导致接收器的拾音方向图的连续变化的类似方法，通过改变波瓣的自适应噪声消除算法来连续猛升猛降会引入附加有害的随机信号。
总的来说，根据发明的一个方面，所述方法用并行方式处理非自适应波束。麦克风接收在作为波瓣或者波束的极坐标图中可识别的所合并的信号。该方法对要么是所需要的侧瓣、要么是主瓣、波瓣或者波束进行波束处理。该方法识别以两维或者以极坐标的三维重叠的多个波瓣。加权对消波束是直接从按照引起对消波束和所需要的波束之间的重叠的相位或者时间延迟而转向一个角度的波束中导出的信号。将所需要的波束和这些加权的对消波束叠加导致消除或者对消(更确切地讲，是减少)所需要的波束或者波瓣的轮廓边沿。而且，根据本发明，该系统的用户可以有来自所需要信号的特定方向。因此，在所需要的方向中能够转向所希望的波束方向图，而且用此方法能够消除从所希望的方向上接收的波束信号的轮廓边沿，由此衰减信号并移去所不需要的干扰或者背景信号。
根据本发明的一个方面，提供了一种改善传感器信号的输出的系统，包括：至少一个传感器，用于接收多个输入信号；模数转换器，用于将由所述至少一个传感器所接收的多个模拟信号转换成数字信号；波束形成器，用于基于从所述模数转换器输入的数字信号来形成输出波束；以及算法块，用于基于来自所述波束形成器的所述结果输出波束来产生具有在轴上压缩的波束宽度的作为结果的输出波束以及输出由所述结果输出波束所特征化的输出信号，其中所述算法块包括：加权部分，用于对来自所述波束形成器的输出波束进行加权；以及算法部件，用于将来自所述加权部分的已加权的输出波束压缩到所述结果输出波束以及产生由具有压缩的波束宽度的所述结果输出波束所特征化的所述输出信号。
最好，所述系统还包括对传感器的多个声音路径，其中多个声音路径产生对应与多个声音路径的多个信号，并且其中多个声音路径产生多个信号中的相移。最好，多个声音路径具有用于衰减和产生相移的带有隔层的可变长的管子。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于压缩信号的拾音的方法，包括步骤：确定用空间表示法表示的包含有信号的主波束的位置；产生对消波束；利用或者按照由压缩波束的作为结果的波束宽度所指定的相移将对消波束的中心轴转向；以及通过叠加从所述主波束中减去对消波束。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于改善输入信号的轴上拾音的非连续的自适应方法，包括如下步骤：确定有关输入信号的主波束的空间表示的位置；确定结果波束的结果波束宽度；产生对消波束；将对消波束的中心轴转向由结果输出波束的预定结果的波束宽度所指定的相位；通过叠加从所述主波束中减去对消波束；产生结果输出波束；以及从结果输出波束中产生输出信号。
本发明利用波束形成。波束形成在本领域是周知的，并且能够以各种方式实现。本发明能够利用通过数字、模拟、或者声学路径长度延迟的波束形成而实现的波束形成。
附图说明
在附图中，图1是本发明的原理视图；
图2是以0度作为中心轴的本发明的理想的波束极坐标的代表性视图；
图3是以从0度转Θ角度为中心轴的本发明的理想的波束极坐标的代表性视图；
图4是由本发明所处理和没有处理的信号的输出的极坐标图；
图5是没有为本发明所处理的各种频率信号的极坐标图；
图6是由本发明所处理的各种频率信号的极坐标图；
图7是没有为本发明所处理的各种频率信号的极坐标图；
图8是由本发明所处理的各种频率信号的极坐标图；以及
图9是表示本发明的处理的流程图。
具体实施方式
本发明在不需要试图消除特定的干扰源或者消除严格限带信号的情况下，使用附加的重叠的非自适应波束来压缩现有的波束形成器的带宽。波束形成是指通过相关叠加或者“堆积”多个已经被相位延迟或者时间延迟以在时间上对准从该角度开始的声音发送的元素信号，而对特定角度的声信号的处理或者增强。这里，“波束方向图”是指作为方位角的函数的一个或者多个传感器对声信号的灵敏幅度。在本领域通常将此称作为方向性函数。
在信号波束的可识别的波瓣的特定方向中，来自波瓣的边沿的信号，其被表示为极坐标中的波瓣的左和右部分，被认为是干扰，因为它来自不包含感兴趣的源的空间的部分。当不试图识别波瓣的边沿时，信号是周期性的或者非周期性的都没有意义。
本发明隔离离轴信号并使用线性叠加。将在此所使用的串音对消用于表示从主波束转向对消波束的相位或者延迟的处理，以致存在波束方向图重叠的区域，将主波束和对消波束所倒相的和/或衰减的信号叠加，从而产生作为结果的用户所需要的变窄的主波束的波束宽度。
现在参看附图，图1表示处理输入信号I而产生输出信号O的本发明的系统10。输入I可以是由单个传感器T或者麦克风或者多个传感器T所接收的多个输入信号。为本领域所周知，麦克风主要是将声信号转换为电语音信号的传感器。不过，单个麦克风能够包含多个传感器，而且单个传感器能够接收多个可分离的不同声信号。输入信号I是从远离传感器T的声源(未示出)获得的模拟信号。
一旦转换为模拟电信号，则如模拟到数字的模数转换器12所示，将输入信号I从模拟转换为数字数据。A/D转换器12将数字信号D发送给相位/延迟器或者波束形成器14。接着，将信号D转换为一组由后处理块/滤波器16所进行后处理的信号，以产生输出波束形成器信号B1、B2、...BN。由传感器T接收声信号(输入信号)并将这些信号转换为已经过滤波和求和的数字信号D的处理对本领域来说是公知的。通过专用微处理器、或者通过微处理器或者执行为软件所携带的计算机可执行指令的计算机机器、或者通过任何处理这些步骤的其它装置(即，模拟电路)能够实现该处理。
接着，执行算法块20所示的本发明的串音对消。块20包括放大器/加权系数以及算法。用于算法的装置，可以是模拟电子设备，可以是微处理器，或者运行可执行指令的计算机，或者如本领域所公知的任何执行这些步骤的其它装置。系数可以被预编程或者带有随板携带的指令，同时它们能够被算法所控制。在系统10中所出现的处理引入了如B1、B2、...BN所示的合称为BN的N个输出波束。当每个输出波束BN可以提供在特定的信号中的噪声分量时，假定每个输出波束BN可以提供从所述信号中通过叠加将要消除的部分信号。为了对来自每个输出波束BN的每个信号部分加权，为输出波束1至N提供了(典型地，尽管没有必要，还是按0.00至0.20的顺序)衰减系数aN。波束能够用用于从1至X的波束的BX来表示。波束BX满足等式BX＝∑aNBN。该等式是在块20中所出现的和。该串音对消导致所需要的波瓣或者波束，作为如图2中M所示的信号，接着，对其求和以产生输出信号O。该输出信号O满足等式：O＝∑BX。
在图1中，波束形成的方法可以是波束形成的任何方法，包括延迟/求和，以及频率域波束形成。本发明的最佳实践源于产生带有预定重叠分块的波束的波束形成。
在图2中，描述了由N个传感器所接收的信号的理想的二维极坐标图。沿着图2的水平轴是表示多个传感器T的点。如上所述，每个传感器T可以是分开的麦克风，可以是在单个麦克风中的多个传感器，或者可以是允许识别如图1-3中所示的用极坐标表示的波束所表示的不同的语音信号的传感器T的部件或者组件。传感器T可以是任何数(偶数或者奇数)，并且用数量N表示这样的传感器。应该注意到传感器T不必是单独的麦克风，而且也可以是其中麦克风能够感觉在预定位置处的语音(声音)信号的在该麦克风上的一点(point)，并且也应该注意到此传感器T的阵列不论在空间位置还是在整个外形上都不必是线性的。
中心波瓣是主波束M而且是所需要的波束。在主波束M的两侧是两个对消波束CL和CR。在图2中，主波束M的转向角Θ是0°，与主波束M的中心轴重合。对消波束CL和CR的中心轴分别按转向角ΦL和ΦR偏离了主波束M的中心轴，并将ΦL和ΦR称作为对消波束CL和CR的方位角。主波束M和对消波束CL和CR重叠，导致了阴影区域RL和RR，并且其中主波束M和对消波束CL和CR共用立体角ΩL和ΩR。
主波束M最初具有以极坐标表示的波束宽度β。波束宽度β可以是已知的或者未知的。一般来说通过仿真或者测量可知道主波束的宽度。通过仿真或者实验可以确定对消波束的宽度。所得的结果波束宽度是对消波束的角度和幅度系数的函数。可以通过仿真或者测量来提前确定这个结果波束宽度。这可以通过系统的方向性图的经验测量来确定。将波束宽度β假定为包含由沿着它的边沿伴随着不想要的噪声的所需信号(这里，所有不想要的信号都被认为是噪声)。进一步假定删除不需要的/干扰信号会产生带有波束宽度β′的结果波束。结果波束β′可以通过仿真方法事先计算，或者通过调整对消波束形成器信号的幅度在实时硬件上“拨入”(对消波束输出信号的加权)。
如上所论，本发明不连续地自适应，而现有技术的实施例是连续自适应的。系统的用户能够“拨入”或者调整系数，并且调整算法，或者算法能够调整系数。在设置处理期间，能够通过试验和误差将系统调整到最佳状态。因为不论多么精心制造，电子设备的特征对每个元件是特有的，所以有代表性是，少量的调整对最佳运行来说被认为是必要的。然而，在运行期间，系统10的设置是准静态的，避免了在运行期间对连续计算、重新计算和校准的需求。
能够将所需要的波束转向到所希望的方向，并且接着能够实现本发明的处理。换言之，必须知道将要由系统接收的所需要信号以及将要被减去的区域的方向。有了声信号将要从特定方向发出的知识后，选择主波束M的转向角Θ，并指定将要消除的区域，以便将波束宽度β压缩到波束宽度β′。应该注意到为了转向波束没必要具有特定的目标或者声源。通过调整来自阵列元件的信号的相位(延迟)来实现波束形成，使得结果波束以各种方向转向。所需要的信号或者目标的存在不是用于转向和压缩波束的先决条件。
图3通过举例表示以不是0°的转向(或者被转向的)角Θ的主波束M，在此情形中所举的例子是Θ＝30°。图3表示的例子是所需要的已知声源位于与基准0°相距30°的位置上。
利用包括傅立叶变换对、快速傅立叶变换或者离散、连续、或者快速(快速离散)傅立叶分析，可以改善在图2和3中所表示的方法。例如，利用两维傅立叶变换，主波束M具有波束宽度β，而所需要的波束宽度是β′。该方法使用信号的空间表示法，以便为了产生波束宽度β′而确定为波束宽度β所需的空间滤波器。β的空间表示或者空间信号用函数a(x，y)表示。β′的空间表示是函数a′(x，y)。接着，一个表示a(x，y)的2-D快速傅立叶变换(FFT)或者波数变换的函数A(kx，ky)，而A′(kx，ky)是所需要的波束方向图的波数变换。作为1-D信号处理的正相似法类推，存在通过2-D傅立叶变换对H(kx，ky)、h(kx，ky)表示的二维(空间)滤波器，这里，在波数域中，H(kx，ky)＝A′(kx，ky)/A(kx，ky)。作为结果而得到的所需要的滤波器的空间表示法用函数h(x，y)表示。函数h(x，y)是逆域(inverse field)表示法，并且，尽管不运行，但为了简化仍像所公知的滤波器那样，将其称作为空间滤波器。所公知的滤波器拒绝一维(时域)信号的某部分的通过。
用更简单的术语，傅立叶变换的使用取决于一些基本的原理。在时域信号的情形中，众所周知，能够通过应用电子滤波器FE(未示出)，使用输入信号IE(未示出)产生所需要的带有特有特征的输出信号阵列OE(未示出)，该特有特征在此例子中是波束宽度。在时域中的数学表示是，IE(t)*FE(t)＝OE(t)，这里，*表示所公知的卷积操作符。当对输入信号IE和所需要的输出OE进行变换时，方程用频率域表示，并且读作IE(ω)×FE(ω)＝OE(ω)，这里，×表示所周知的乘法运算符。接着能够简单地解此方程：FE(ω)＝OE(ω)/IE(ω)，再交待一下，FE(ω)表示在频率域中的滤波器。一旦已经确定了频率域滤波器，则对滤波器进行逆傅立叶变换产生在时域中的滤波器。对于二维(或者空间)信号来说，信号是在x维和y维中的距离的函数IE(x，y)，而它的变换是波数(k＝(2*pi*f)/c)的函数IE(kx，ky)，这里，f是频率，而c是介质的传播速度。接着在系统10中执行此处理。
应该意识到，在该优选实施例中，在此所讨论的所有处理和转向都是在时域中进行的，并且转向角和延迟都是固定的。因此，在该优选实施例中，将傅立叶分析当作设计工具并用来验证概念。然而，此应用的范围也包括使用频率域的应用。在频率域中，不仅可以将傅立叶分析当作设计工具和用于验证概念，而且也能够当作生产工具。在波数域中的傅立叶分析要求具有大量的计算能力，并且因此当考虑全部的系统参数时可能不总是切实可行的。在该优选实施例中，系统组件不执行诸如2D FFT的傅立叶分析或者任何计算机代码。在系统10的外面进行这些计算(前面所提到的“拨入”)，这不仅是因为潜在的计算能力所限，而且是因为它们涉及计算实际的波束形成器和所需要的波束形成器的所希望的声学拾音方向图。可以将2DFFT当作外面的设计工具使用，以便预先计算/仿真所希望的波束方向图，并确定适当的对消波束转向和幅度。对于时域波束形成器来说，固定采样率产生用于波束转向的固定延迟，并因此有固定的转向角。因此，能够仅仅预知波束宽度、角度和重叠。波束的精确转向要求频率域的波束形成。所选择的方法基于所使用的波束形成器的类型(即，离散延迟或者幅度/相位滤波器)。
在时域中，该方法简单地将对消波束转向到主波束的左和/或右边，结果是出现某些重叠。此时，可以调整对消波束的幅度直至达到满意的结果为止。有代表性的是，当使用离散(固定)延迟来转向波束(如在数字时延系统中)时，这是一个将会选择的方法，因为固定延迟表示所转向的波束仅仅在以有限数量的固定角度(例如，20度、35度和60度)时出现。波束的精确转向要求频率域波束形成。傅立叶分析的使用证实了该方法的理论基础的有效性。在频率域中，将此方法应用于通过离散时间延迟所形成的波束中，或者基于通道接通道的频率域滤波器中。第二种方法来源于上述的傅立叶分析。因为能够将二维傅立叶变换用来验证对消波束的“拨入”幅度的时延方法的有效性，所以同样也可以将它用来确定所要求的对消波束的转向角。在使用滤波器-而不是固定时延-转向的波束形成器情形中，精确的相位延迟能够形成对消波束，该对消波束能够转向到几乎任何角度。因此，2D FFT事先提供了角度、幅度以及所希望的结果。
不论所使用的是什么波束形成方法，用于转向波束的波束宽度都将会随着阵列孔径按转向角的余弦的变化而变化。对于波束形成器的时延来说，在时域中，转向角的数目是有限的。假定波束方向图重叠，则可以“拨入”或者“调谐”所不需要的波束的幅度系数，以取得满意的结果。因此，不必要预先确定波束宽度或者精确的转向角，取而代之的是，将该系统调谐到以按经验确定的设置上。
在上述两种方法中的任何一种方法中，都是使用空间(2D)傅立叶变换作为验证实验方法和数据的有效性的处理。例如，在与在时域中求解逆传递函数类似的方法中，空域滤波器示出了指向如图5-8中所示的大约+/-30度的波瓣。
如果理论计算能验证实验数据，则使用实际的或所需要的波束方向图的数学表达式以求解空间滤波器的幅度和相位是可能的，该幅度和相位将指明对消波束应该转向的方向，以得到用户所需要的波束方向图。可以将此认为所设计过程的一部分，尤其对频率域波束形成器的设计来说更是这样，但是，它不必是在系统10中的基于“实时”的处理算法的一部分。同样也应该对在用频率域波束形成的波数处理的处理中使用反馈机制来进行控制，或者自动“拨入”波束宽度调整。不过，这要求大量的处理能力，而在商业上这往往是不现实的。
在时域和频域两种波束形成器中，能够选择波束，但是不能选择角度。在具有时域相位延迟的时域波束形成器的实践中，精确转向波束是不可能的。当波束中存在声源时，使用该波束。因为固定了采样率，所以延迟是采样周期的函数。这导致大量的固定波束。在此情形中，调整多个波束的衰减系数是最简单的，将该多个波束转向到所需要波束的左边或者右边的所述固定角度。可以使用诸如如上所述的设置系数值的二维处理，但是这通常不拘形式而定。
在频率域波束形成器的情形中，其中波束转向是赋予给每个信号的相位的函数，为了确定对消波束的幅度系数和转向角两个值，二维傅立叶变换的使用是必要的。此外，可以识别目标波束，并通过利用所描述的傅立叶变换滤波的处理，来调整每个元件上的信号的相位可以选择转向角。
图4描述了两个波束方向图S1和S2(相对于角度的信号灵敏度)的极坐标图。波束方向图S1是在没有串音对消情况下的1kHz的波束方向图，而S1C表示在有串音对消情况下的相同的波束方向图S1。波束方向图S2是在没有串音对消的情况下的3kHz的波束方向图，而S2C表示在有串音对消情况下的相同的波束方向图S2。正如由图4所见，已经压缩了每个波束方向图S1和S2的图。因为该处理，降低了以离轴角度接收波束方向图的灵敏度，同时减少了寄生信号或者不需要的信号(在此称之为噪声)。这通过衰减所述离轴信号增强了输出。
图5-8表示在有串音对消和没有串音对消的两种情况下，用于各种频率的极坐标的数据，它们在无回波的箱中测试过，该图的每个主刻度表示10分贝。图5描述了在没有串音对消的情况下的频率为400、600、800、1000、1200、1600、2000、2400Hz的信号。图6描述了在有串音对消的情况下的图5的同一信号。用特定的频率标注每条线并不有助于对串音对消的结果的理解。因此，将图5和图6相比较应该注意到指向图5的图的中心的带有波瓣的波束对应图6的图的中心的相同部分。在图6的带有波瓣的波束中，对波瓣的空间表示作了更多限定，且波瓣更窄。类似地，图5的侧瓣在图6中已经变得更小(更窄)。
图7和8分别表示在有和没有串音对消的情况下频率为2500、2800、3200、3600、4000、4400和4700的信号。和图5及6类似，图7和8解释了通过利用根据本发明的技术的串音对消来对波束的压缩和对波束更多的限定。
图9提供了本发明的方法的流程图。由将声学语音信号转换为模拟电信号的传感器T接收输入信号I。A/D转换器12将模拟电信号转换为数字信号D。如本实施例所表示，将数字信号D发送到波束形成器14，并变成输出波束16。块18提供波束M的位置或者确定波束M的位置Θ(见图2、3)。块14和18产生方向与信号相联系的灵敏度，该灵敏度能够用极坐标的波束的图形形式来表示。现在将信号看作波束，使其传输到块108，在该块108中，如果存在多个信号，则对信号求和。接着，将所求和的波束发送给以虚线表示的块20。
在本发明的更进一步的实施例中，应该注意到，可以使用用于形成波束以及应用利用对设备的2D FFT、其它的FFT或者根据实验(经验)的调整、或者调谐的非自适应对消的任何模拟方法。而且，应该注意到，能够使用单麦克风或者传感器装置用于多声音路径，并因此在本应用中可以实现用于多个声信号(即，多个同时来自多个方向性拾音方向图的处理信号)的单麦克风或者传感器装置。用和在此描述相同的方法可以实现声波束形成器，该声波束形成器带有能够用于形成独立波束的多个端口。例如，可以用单个麦克风或者传感器组件实现Okhubo等人的美国专利第5,862,240的发明，并且可以用多个带有隔层的可变长的管子以衰减声音，并在多个管子中产生声音的相移。接着，如果对本发明来说是必要的话，可以使用这些方法和系统来形成独立的波束。
本应用的方法和系统可以进一步使用一般来说和麦克风起类似作用的组件。该方法对诸如水中探测器和地震检波器的类似的传感器阵列同样适用。
尽管傅立叶分析是在本应用中所讨论的主要的方法，但是显然为了执行这些数学分析，会增加大量的数学运算，并且，本方法也决不限于傅立叶分析的使用。应该特别清楚的是傅立叶分析完全是对根据经验的方法的补充。
应该注意到，不必准确地按所描述的那样执行本发明的步骤。例如，可以用专用硬件、电路、或者软件应用程序、或者硬件、电路以及软件的某些组合来执行这些步骤中的某些步骤。因此，显然本发明的系统的组件同样也可以是硬件、电路以及软件中的一个或者它们的组合。因为此原因，同样显然本发明不必倚赖步骤或者系统组件的顺序或者位置。
在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述结构进行各种变化，其意图是包含在上述说明中或者在附图中所示的所有内容都应该是用来作解释的，而没有限制的意思。
本申请要求以下优先权：在美国临时申请，申请序列号60/276371，申请日：2001年3月16日，和美国非临时申请，申请日为：2002年2月27日，对该申请还没有有效的申请号，两者的题目都为“用于波束形成阵列的立体角串音对消”。

Claims (30)

1.一种改善传感器信号的输出的系统，包括：
至少一个传感器，用于接收多个输入信号；
模数转换器，用于将由所述至少一个传感器所接收的多个模拟信号转换成数字信号；
波束形成器，用于基于从所述模数转换器输入的数字信号来形成输出波束；以及
算法块，用于基于来自所述波束形成器的所述结果输出波束来产生具有在轴上压缩的波束宽度的作为结果的输出波束以及输出由所述结果输出波束所特征化的输出信号，
其中所述算法块包括：加权部分，用于对来自所述波束形成器的输出波束进行加权；以及算法部件，用于将来自所述加权部分的已加权的输出波束压缩到所述结果输出波束以及产生由具有压缩的波束宽度的所述结果输出波束所特征化的所述输出信号。
2.如权利要求1所述的系统，还包括多个被选择的固定的输入波束，其中算法块产生多个输出波束，并且其中输出信号包括多个具有预定波束宽度的输出波束。
3.如权利要求1所述的系统，其中传感器是同时接收多个声信号的麦克风，该声信号可以用波束方向图空间地表示。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述系统包括多个传感器。
5.如权利要求4所述的系统，其中从由麦克风、可逆的传感器、水中探测器或者地震检波器所组成的组中选择传感器。
6.如权利要求1所述的系统，其中结果波束的已压缩的轴上波束宽度通过将主波束的轴转向一定角度的波束和主波束叠加来产生。
7.如权利要求1所述的系统，其中算法块产生用于多个主波束的压缩的轴上波束宽度，并且，其中算法块对用于多个结果波束的波束形成器的输出求和，并且其中输出信号包括用于多个压缩的波束的波束形成器的输出。
8.如权利要求1所述的系统，还包括微处理器，并且其中微处理器包括所述算法块。
9.如权利要求1所述的系统，还包括对传感器的多个声音路径，其中多个声音路径产生对应与多个声音路径的多个信号，并且其中多个声音路径产生多个信号中的相移。
10.如权利要求9所述的系统，其中多个声音路径具有用于衰减和产生相移的带有隔层的可变长的管子。
11.一种用于压缩信号的拾音的方法，包括步骤：
确定用空间表示法表示的包含有信号的主波束的位置；
产生对消波束；
利用或者按照由压缩波束的作为结果的波束宽度所指定的相移将对消波束的中心轴转向；以及
通过叠加从所述主波束中减去对消波束。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述确定位置的步骤是根据经验进行的并且是固定的。
13.如权利要求11所述的方法，其中确定位置的步骤是利用数学分析来进行的。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述数学分析是多维的傅立叶变换。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述信号是模拟声信号，并且其中所述方法还包括如下步骤：
由传感器接收输入信号；
根据所述输入信号形成波束；以及
输出输出信号。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述将波束宽度进行压缩的步骤包括：
产生第二对消波束；
将第二对消波束的中心轴转向到由作为结果波束的结果波束宽度所指定的第二角度上；以及
通过叠加从所述主波束中减去第二对消波束。
17.如权利要求11所述的方法，其中，对多个主波束同时执行所述方法，以产生多个改善的轴上信号拾音。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述方法还包括对所压缩的多个主波束求和的步骤。
19.如权利要求11所述的方法，其中，压缩波束宽度的步骤由微处理器来执行。
20.一种用于改善输入信号的轴上拾音的非连续的自适应方法，包括如下步骤：
确定有关输入信号的主波束的空间表示的位置；
确定结果波束的结果波束宽度；
产生对消波束；
将对消波束的中心轴转向由结果输出波束的预定结果的波束宽度所指定的相位；
通过叠加从所述主波束中减去对消波束；
产生结果输出波束；以及
从结果输出波束中产生输出信号。
21.如权利要求20所述的方法，其中确定结果波束宽度的步骤是根据经验来进行的。
22.如权利要求20所述的方法，其中确定结果波束宽度的步骤是用数学方法来实现的。
23.如权利要求20所述的方法，其中确定结果波束宽度的步骤是利用傅立叶变换来进行的。
24.如权利要求20所述的方法，其中压缩波束宽度的步骤包括：
产生多个对消波束，其中每个对消波束和所述主波束重叠；
将多个消波束的中心轴转向由结果输出波束的结果波束宽度所指定的相位；以及
通过叠加从所述主波束中减去多个对消波束。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述方法同时改善多个主波束，并且同时产生多个结果输出波束。
26.如权利要求25所述的方法，其中输出信号包括多个结果输出波束中的每一个。
27.如权利要求26所述的方法，其中多个结果输出波束从多个输入信号中产生。
28.如权利要求20所述的方法，其中该方法还包括如下步骤：
由传感器接收所述输入信号；
在产生所述对消波束之前，从所述输入信号中形成波束；以及
输出所述输出信号。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述方法还包括将所述输入信号从模拟信号转换为数字信号的步骤。
30.如权利要求20所述的方法，其中所述压缩波束宽度的步骤由微处理器来执行。
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