基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法技術(shù)

發(fā)明專利技術(shù)一種基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法。該方法首先利用PSO算法實(shí)現(xiàn)了不等間距陣列的陣元優(yōu)化布置，抑制柵瓣值的同時(shí)，并盡可能減小原旁瓣值的增加量；在優(yōu)化不等間距陣列的基礎(chǔ)上，利用MVDR算法進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)，抑制旁瓣對(duì)聲場(chǎng)重構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)鬼影的抑制，提高聲源定位的準(zhǔn)確性。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)合了不等間距陣列抑制柵瓣和MVDR算法較強(qiáng)的空域?yàn)V波特性的優(yōu)勢(shì)，能夠利用陣元數(shù)量較少的傳聲器陣列，實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)重構(gòu)中的鬼影抑制。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法
本專利技術(shù)涉及一種聲場(chǎng)重構(gòu)和鬼影抑制方法，該方法在有限空間、有限傳聲器個(gè)數(shù)的情況下，能夠有效抑制聲場(chǎng)重構(gòu)過(guò)程中柵瓣和旁瓣帶來(lái)的干擾，提高聲場(chǎng)重構(gòu)的精度。
技術(shù)介紹
波束形成(Beamforming)是陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要任務(wù)，其主要功能包括：形成基陣接收系統(tǒng)的方向性；進(jìn)行空域?yàn)V波，抑制空間干擾與環(huán)境噪聲，提高信噪比；估計(jì)信號(hào)到達(dá)方向，為信號(hào)源定位創(chuàng)造條件等。通過(guò)波束形成處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)聲源的重構(gòu)與定位。聲源識(shí)別的過(guò)程就是將重構(gòu)聲場(chǎng)空間離散成一系列的重構(gòu)點(diǎn)，利用波束形成算法計(jì)算出重構(gòu)點(diǎn)的重構(gòu)聲壓值，繪制出聲壓云圖，由圖中熱點(diǎn)的位置來(lái)判斷聲源位置。傳聲器陣列的聲源識(shí)別效果與其結(jié)構(gòu)形狀，陣元數(shù)目及處理算法等因素決定。一個(gè)合適的傳聲器陣列能夠抑制柵瓣和旁瓣，提高聲源的辨識(shí)精度，提高聲場(chǎng)的重構(gòu)質(zhì)量。在基于傳聲器陣列的聲場(chǎng)重構(gòu)研究中，前人搭建網(wǎng)格陣、十字陣、圓形陣等一些等間距的陣列來(lái)進(jìn)行聲場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析。但等間距陣列有其固有缺陷，即：為了保證較小的主瓣寬度，提高聲場(chǎng)重構(gòu)分辨率，需要維持一個(gè)較大的陣列尺寸，使得相鄰陣元的間距增加，并導(dǎo)致柵瓣的出現(xiàn)，極大地削弱了陣列的聲場(chǎng)重構(gòu)能力。針對(duì)等間距陣列重構(gòu)能力的缺陷，有學(xué)者提出了利用不等間距陣列進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)的方法。該方法通常是在等間距陣列的基礎(chǔ)上，利用尋優(yōu)算法，對(duì)陣元坐標(biāo)分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)化不等間距陣。不等間距陣能夠抑制柵瓣[8]，在一定程度上可提高聲場(chǎng)重構(gòu)的質(zhì)量。但是，陣列中較大的旁瓣幅值依然會(huì)給真實(shí)聲源的正確辨識(shí)帶來(lái)干擾。針對(duì)上述問(wèn)題，若能夠通過(guò)陣列優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵瓣的抑制，同時(shí)在此基礎(chǔ)上運(yùn)用有效地算法抑制較大旁瓣的產(chǎn)生，獲得準(zhǔn)確聲場(chǎng)重構(gòu)云圖，實(shí)現(xiàn)鬼影抑制。本專利技術(shù)正是為了實(shí)現(xiàn)這一目的而產(chǎn)生的。2012-09-19公開(kāi)的專利：CN102680071A，題目：《采用振速測(cè)量和局部近場(chǎng)聲全息法的噪聲源識(shí)別方法》，專利技術(shù)人：楊德森。該專利技術(shù)提供的是一種采用振速測(cè)量和局部近場(chǎng)聲全息法的噪聲源識(shí)別方法。測(cè)量位于近場(chǎng)的有限孔徑測(cè)量面上的法向質(zhì)點(diǎn)振速，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)零擴(kuò)展，最后計(jì)算得到聲源面上的聲壓和法向質(zhì)點(diǎn)振速。該專利技術(shù)的特點(diǎn)是采用法向質(zhì)點(diǎn)振速作為輸入量進(jìn)行聲場(chǎng)重建，與傳統(tǒng)迭代局部近場(chǎng)聲全息法相比，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，效率較高。2013-01-30公開(kāi)的專利：CN102901950A，題目：《平面陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的方法》，專利技術(shù)人：盧奐采；李春曉；金江明；丁浩；梅東挺。該專利技術(shù)提供的是一種采用平面陣列識(shí)別定位聲源三維坐標(biāo)的方法。基于球面波聲場(chǎng)模型,采用波束形成方法,以三維空間網(wǎng)格化后的網(wǎng)格交點(diǎn)作為重構(gòu)點(diǎn),進(jìn)行不同距離的平面聲場(chǎng)重構(gòu),比較沿距離方向(即z方向)上不同重構(gòu)面的波束形成器的輸出值,最大輸出值對(duì)應(yīng)的z軸坐標(biāo),即確定為聲源的距離。最后根據(jù)聲源距離對(duì)應(yīng)的重構(gòu)面上波束形成器輸出的最大值點(diǎn),確定聲源在x和y軸坐標(biāo)。該專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可用二維的平面陣列,識(shí)別聲源的三維坐標(biāo),可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的僅能識(shí)別聲源兩維坐標(biāo)的平面陣列聲全息設(shè)備上,實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證了該專利技術(shù)方案的有效性和可靠性。本專利技術(shù)與現(xiàn)有專利技術(shù)專利的不同在于：將PSO粒子群算法與MVDR波束形成算法相結(jié)合，能夠抑制聲場(chǎng)重構(gòu)中的鬼影，提高聲場(chǎng)重構(gòu)準(zhǔn)確性。具體來(lái)說(shuō)，該方法分為兩步：首先，利用PSO算法對(duì)一個(gè)十字等間距傳聲器陣列的布局進(jìn)行優(yōu)化，獲得陣元位置布局最優(yōu)的不等間距陣列；在此基礎(chǔ)上，對(duì)各陣元采集到的信號(hào)進(jìn)行MVDR波束形成運(yùn)算，獲得聲場(chǎng)重構(gòu)云圖。本專利技術(shù)結(jié)合了不等間距陣列抑制柵瓣和MVDR波束形成算法具有較強(qiáng)的空域?yàn)V波特性的優(yōu)勢(shì)，能夠利用陣元數(shù)量較少的傳聲器陣列，實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)重構(gòu)中的鬼影抑制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提出一種能夠有效抑制聲場(chǎng)重構(gòu)中鬼影現(xiàn)象的方法。該方法在有限空間、有限傳聲器個(gè)數(shù)的情況下，能夠有效避免聲場(chǎng)重構(gòu)云圖中柵瓣和旁瓣的存在，提高聲場(chǎng)重構(gòu)的聲源辨識(shí)精度，實(shí)現(xiàn)鬼影的抑制。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：一種基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法，該方法是在對(duì)等間距十字傳聲器陣列進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用MVDR波束形成方法進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)，得到聲壓云圖。具體包括以下步驟：步驟1，將含有一定陣元的等間距十字傳聲器陣列PSO粒子群算法，尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，獲得沒(méi)有柵瓣，旁瓣影響最小的不等間距十字陣。在通過(guò)PSO算法得到優(yōu)化的不等間距十字陣之后，該陣列的柵瓣已盡可能多地被抑制，并已退化成為旁瓣；步驟2，為了進(jìn)一步削弱旁瓣對(duì)聲場(chǎng)重構(gòu)的影響，在獲得優(yōu)化不等間距十字陣的基礎(chǔ)上，使用借助MVDR波束形成算法來(lái)進(jìn)行聲場(chǎng)的重構(gòu)，利用MVDR算法較強(qiáng)的空域?yàn)V波特性，最大限度降低旁瓣對(duì)聲場(chǎng)重構(gòu)的影響，提高聲場(chǎng)重構(gòu)的準(zhǔn)確性。優(yōu)選的，所述步驟1中的含有一定陣元的等間距十字傳聲器陣列PSO粒子群算法，包括：首先，確立陣列優(yōu)化的最終目標(biāo)，即在保持十字陣列形狀不變的前提下，尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，使得在不等間距陣列情況下的聲場(chǎng)重構(gòu)的最大旁瓣級(jí)SL最小；然后，初始化粒子群，進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，每一次迭代運(yùn)算均需要更新粒子群算法的全局最優(yōu)解，并記錄全局最優(yōu)解的最大旁瓣值。當(dāng)最大旁瓣值SL趨于收斂時(shí)，算法迭代結(jié)束，得到一組最優(yōu)的陣元位置坐標(biāo)解。進(jìn)一步，如所述步驟1中的基于等間距十字陣列的粒子群優(yōu)化算法，具體包括以下步驟：首先，用聲場(chǎng)重構(gòu)結(jié)果中最大旁瓣級(jí)SL的大小作為優(yōu)化目標(biāo)，以此來(lái)衡量陣列的優(yōu)化效果。在傳聲器陣元數(shù)量有限的情況下，為確保重構(gòu)后的聲場(chǎng)云圖具有足夠的空間分辨率，選取十字傳聲器陣列來(lái)進(jìn)行位置的優(yōu)化。為保持陣列的十字形狀，十字交叉點(diǎn)處的陣元位置在優(yōu)化后保持不變。由上述分析可知，陣列優(yōu)化的目標(biāo)為：尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，使得在不等間距陣列情況下的聲場(chǎng)重構(gòu)的最大旁瓣級(jí)SL最小。然后，進(jìn)行算法的初始化和迭代運(yùn)算。設(shè)Zi＝{zi1,zi2,…,zij,…zi13}為某一種可能的陣元位置坐標(biāo)解，稱Zi為一個(gè)粒子，其中Zij表示第i個(gè)粒子中第j個(gè)陣元的坐標(biāo)位置。由m個(gè)粒子組成一個(gè)組群Z＝{Z1,Z2,…Zi…,Zm}，將粒子群初始化。在迭代運(yùn)算中，每個(gè)粒子的速度，記做Vi＝{vi1,vi2,…vid…vi13}，其中vid表示在第i個(gè)粒子中第d個(gè)陣元坐標(biāo)的速度。在每一次迭代計(jì)算中，每個(gè)粒子可以根據(jù)式(1)來(lái)更新速度：vid(t+1)＝wvid(t)+η1rand()(pid-zid(t))+η2rand()(pgd-zid(t))(1)式(1)中，vid(t)表示第i個(gè)粒子第d個(gè)陣元坐標(biāo)在第t次迭代中的速度，zid(t)則表示經(jīng)過(guò)第t次迭代后，第i個(gè)粒子中第d個(gè)陣元的坐標(biāo)解，w為慣性權(quán)重，η1、η2為加速常數(shù)，rand()為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。pid和pgd分別表示自搜索開(kāi)始到經(jīng)過(guò)t次迭代后每個(gè)粒子和整個(gè)粒子群所搜索到的最優(yōu)坐標(biāo)解。在更新了粒子速度的基礎(chǔ)上，則可得到第(t+1)次迭代后第i個(gè)粒子中第d個(gè)陣元的坐標(biāo)解zid(t+1)：zid(t+1)＝zid(t)+vid(t+1)(2)粒子更新后，計(jì)算各粒子的最大旁瓣級(jí)，同已有的各粒子和整個(gè)粒子群的最優(yōu)坐標(biāo)解的最大旁瓣級(jí)進(jìn)行比較，以更新各粒子和整個(gè)粒子群的最優(yōu)坐標(biāo)解，繼續(xù)下一次迭代運(yùn)算。最后，當(dāng)最大旁瓣級(jí)SL達(dá)到最小，并趨于收斂時(shí)，整個(gè)算法迭代結(jié)束，即可得到一本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于PSO?MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法，其特征在于：該方法是在對(duì)等間距十字傳聲器陣列進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用MVDR波束形成方法進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)，得到聲壓云圖；具體包括以下步驟：步驟1，將含有一定陣元的等間距十字傳聲器陣列PSO粒子群算法，尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，獲得沒(méi)有柵瓣，旁瓣影響最小的不等間距十字陣；在通過(guò)PSO算法得到優(yōu)化的不等間距十字陣之后，該陣列的柵瓣已盡可能多地被抑制，并已退化成為旁瓣；步驟2，為了進(jìn)一步削弱旁瓣對(duì)聲場(chǎng)重構(gòu)的影響，在獲得優(yōu)化不等間距十字陣的基礎(chǔ)上，使用借助MVDR波束形成算法來(lái)進(jìn)行聲場(chǎng)的重構(gòu)，利用MVDR算法較強(qiáng)的空域?yàn)V波特性，最大限度降低旁瓣對(duì)聲場(chǎng)重構(gòu)的影響，提高聲場(chǎng)重構(gòu)的準(zhǔn)確性。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法，其特征在于：該方法是在對(duì)等間距十字傳聲器陣列進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用MVDR波束形成方法進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)，得到聲壓云圖；具體包括以下步驟：步驟1，將含有一定陣元的等間距十字傳聲器陣列PSO粒子群算法，尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，獲得沒(méi)有柵瓣，旁瓣影響最小的不等間距十字陣；在通過(guò)PSO算法得到優(yōu)化的不等間距十字陣之后，該陣列的柵瓣已盡可能多地被抑制，并已退化成為旁瓣；步驟2，為了進(jìn)一步削弱旁瓣對(duì)聲場(chǎng)重構(gòu)的影響，在獲得優(yōu)化不等間距十字陣的基礎(chǔ)上，使用借助MVDR波束形成算法來(lái)進(jìn)行聲場(chǎng)的重構(gòu)；所述方法應(yīng)用于有限空間、有限傳聲器個(gè)數(shù)情況下，應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槁晫W(xué)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法，其特征在于：所述步驟1中的含有一定陣元的等間距十字傳聲器陣列PSO粒子群算法，包括：首先，確立陣列優(yōu)化的最終目標(biāo)，即在保持十字陣列形狀不變的前提下，尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，使得在不等間距陣列情況下的聲場(chǎng)重構(gòu)的最大旁瓣級(jí)SL最小；然后，初始化粒子群，進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，每一次迭代運(yùn)算均需要更新粒子群算法的全局最優(yōu)解，并記錄全局最優(yōu)解的最大旁瓣值,當(dāng)最大旁瓣值SL趨于收斂時(shí)，算法迭代結(jié)束，得到一組最優(yōu)的陣元位置坐標(biāo)解。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于PSO-MVDR的聲場(chǎng)重構(gòu)與鬼影抑制方法，其特征在于：所述步驟1中的含有一定陣元的等間距十字傳聲器陣列PSO粒子群算法具體包括以下步驟：首先，用聲場(chǎng)重構(gòu)結(jié)果中最大旁瓣級(jí)SL的大小作為優(yōu)化目標(biāo)，以此來(lái)衡量陣列的優(yōu)化效果；在傳聲器陣元數(shù)量有限的情況下，為確保重構(gòu)后的聲場(chǎng)云圖具有足夠的空間分辨率，選取十字傳聲器陣列來(lái)進(jìn)行位置的優(yōu)化；為保持陣列的十字形狀，十字交叉點(diǎn)處的陣元位置在優(yōu)化后保持不變；由上述分析可知，陣列優(yōu)化的目標(biāo)為：尋找最優(yōu)的各陣元移動(dòng)距離的組合，使得在不等間距陣列情況下的聲場(chǎng)重構(gòu)的最大旁瓣級(jí)SL最小；然后，進(jìn)行算法的初始化和迭代運(yùn)算：設(shè)Zi＝{zi1,zi2,…,zij,…zi13}為某一種可能的陣元位置坐標(biāo)解，稱Zi為一個(gè)粒子，其中Zij表示第i個(gè)粒子中第j個(gè)陣元的坐標(biāo)位置；由m個(gè)粒子組成一個(gè)組群Z＝{Z1,Z2,…Zi…,Zm}，將粒子群初始化；在迭代運(yùn)算中，每個(gè)粒子的速度，記做Vi＝{vi1,vi2,…vid…vi13}，其中vid表示在第i個(gè)粒子中第d個(gè)陣元坐標(biāo)的速度；在每一次...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：魏龍，黎敏，陽(yáng)建宏，楊德斌，付強(qiáng)，秦勝，楊海波，孫冬柏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11