用於傳感器陣列的優化模態波束成型器的製作方法

2023-05-26 23:02:51

專利名稱：用於傳感器陣列的優化模態波束成型器的製作方法
技術領域：
本發明涉及波束成型。
背景技術：
波束成型是用於對來自陣列中若干傳感器的輸入進行組合的技術。陣列中的每個傳感器根據其位置產生不同的信號，這些信號表示整個情景。通過以不同方式，例如通過對接收到的每個信號使用不同的加權因子或不同的濾波器來組合這些信號，情景的不同方面可被突出和/或抑制。具體地，通過增加對應於特定方向的權重，可以改變陣列的指向性， 由此使得陣列在選定方向上更加靈敏。波束成型可被應用於電磁波和聲波兩者，並且已被用於例如雷達和聲納。傳感器陣列在實體上可採用任何尺寸或形狀，取決於所涉及的應用和波長。在簡單應用中，一維線性陣列可能足夠。對於更複雜的應用，可能需要二維或三維的陣列。最近，波束成型已被用於3-維(3-D)聲接收、室內聲學的聲場分析、視頻和電話會議中的聲音拾取、到達方向的估計和噪聲控制的應用。對於這些應用，需要三維的麥克風陣列以容許完整的3-D聲學分析。在可能的三維陣列設置中，球形陣列具有特殊的益處，因為其可以實現比具有其它標準陣列幾何體的陣列更加靈活的三維波束合成，並且可以使用球面諧波域的數學構架來執行陣列處理。球形陣列一般採用具有在其表面上分布的傳感器的球體形式。最常用的實施方式包括「剛性球體」，其中傳感器被設置在物理球體表面上；和「開放式球體」，其中表面僅是抽象的，但是傳感器通過其它方式被保持在該抽象表面上的位置中。諸如雙開放式球體(傳感器設置在兩個同心的抽象球體表面上，一個在另一個內部)、球殼陣列(傳感器設置在兩個同心的抽象球體表面之間，即位於由其限定的殼內)、具有心形麥克風的單開放式球體和半球的其它配置也是合適的實施方式。所有這些可被用於將聲場分解成球面諧波。對於一個給定的陣列(例如用於聲學應用的麥克風或水聽器或者用於無線電應用的天線)，與陣列中每個傳感器相關的權重限定了陣列的「波束圖形」。然而，一般地，當陣列的一個或更多個部分的權重比其它部分的權重更大時，該波束圖形生長出「波瓣」和「零點」，所述「波瓣」表示強接收和良好的信號增益的區域；所述「零點」表示弱接收區域，其中入射波將會被高度衰減。波瓣和零點的設置取決於與傳感器和與傳感器物理設置相關的權重兩者。然而，一般地，波束圖形會包括用於最強的信號接收方向的「主」波瓣(即圖形的原則上的最大限度)和一個或更多個用於圖形的第二(和其它次序)最大限度的「旁」波瓣。零點形成在波瓣之間。在聲學應用中，考慮到聽覺情景的分析，其問題可類比於雞尾酒會上的問題，其中期望聽到特定的源(例如，正在與你說話的朋友)，同時忽略或擋住來自特定幹擾源的聲音 (例如在你旁邊進行的另一個對話)。一般來說，同時還期望忽略或擋住聚會上的背景噪聲。類似地，麥克風陣列中的波束成型問題是將陣列的接受功率集中到期望的源上的同時最小化幹擾源和背景噪聲的影響。
這些問題在諸如電話會議的應用中可能是特別重要，在所述電話會議中，兩個房間通過麥克風陣列和揚聲器以通訊方式連接，即每個房間具有拾取聲音並將其作為聲頻信號傳輸到另一個房間的麥克風陣列以及將從另一個房間接收的信號轉換成聲音的揚聲器。 在任何給定時間，一個房間(近端)中可能有一個或更多個發言者，其聲音必須被捕捉，以及一個或更多個在理想情況下應被擋住的幹擾源，比如產生來自電話另一側(遠端)的聲音和背景噪聲(例如空調的噪聲或由於發言者和/或揚聲器而產生的回聲和混響)的揚聲
ο該問題一般由已知為「波束控制」的方法所提出，在所述「波束控制」中，波束圖形的主波瓣對準感興趣的信號的方向，同時波束圖形的零點(也稱為缺口)轉向幹擾信號的方向(「零點轉向」)。旁波瓣一般表示波束圖形中接收到比期望的信號更強的信號的區域，即其為波束圖形中不需要的局部最大限度。旁波瓣是不可避免的，但是通過適當選擇加權係數，旁波瓣的尺寸也可被控制。當存在多於一個的感興趣的信號方向時，也有可能在波束圖形中生成多個主波瓣。波束圖形的其它期望被控制的方面為主波瓣的波束寬度、魯棒性(即系統忍受異常的或不期望的輸入的能力)和陣列信號增益(即信噪聲比(SNR)的增益)。在大多數環境下，聽覺場景是不斷改變的。感興趣的信號來來往往，來自幹擾源的信號來來往往，信號會改變方向並且振幅噪聲水平會增加。在這些情況下，傳感器陣列理想地需要能夠適應變化的情況，例如，其可能需要移動波束圖形的主波瓣，以跟隨感興趣的移動信號，或者其可能需要產生新的零點，以抵消新的幹擾源。類似地，如果幹擾源消失，則系統的約束改變並且更好的最佳解是可能的。因此，在這些情況下，陣列需要是適應性的，即 需要其能夠重新評價約束並重解最佳化問題，以找到新的最佳解。而且，在聽覺場景迅速改變比如電話會議的情況下，波束成型器理想地需要實時運行；當人們一開始或停止發言時， 興趣源和幹擾源在數量和方向上不斷地變化。在這一領域進行了很多研究。為了給出一些實例，Meyer和Elko[J. Meyer和 G. Elko, ICASSP會報，2002年5月，第2卷，1781-1784頁中的「基於聲場的標準正交分解的 M^1 !] 「(A highly scalable spherical microphone array based on an orthonormal decomposition of the soundf ield)]提出了在球形麥克風陣列波束圖形設計中的聲場球面諧波分解的應用和分析，其是圍繞觀測方向對稱的，並且在不改變波束圖形形狀情況下，其在3-D空間內是可控制的。同樣參見W02006/110230。作為這些研究的延伸，Rafaely [B. Rafaely，「相對於延遲-求和球形麥克風陣列處理的相位模式(Phase-mode versus delay—and—sum spherical microphone array processing)，」 IEEE 言號處3報，2005年10月，第12卷，No. 10，713-716頁]將通常使用的延遲-求和波束圖形設計方法應用於球形麥克風陣列，S卩應用權重並補償由於單一平面波而在自由區域麥克風處產生的延遲。該方法帶來高的魯棒性，但是以降低較低頻率下的指向性為代價。在另一個研究中，Rafaely等人通過使用傳統的道夫-切比雪夫(Dolph-Chebyshev)圖形設計方法也實現了對給定主波瓣寬度和陣列次序的旁波瓣控制，以改進聲場的方向性分析[B. Rafaely, A. Koretz, R. Winik和Μ. Agmon，室內聲學國際討論會會報，2007年9月，S42頁中的「用於改進的室內聲學分析的球形麥克風陣列波束圖形設計(Spherical microphone arraybeampattern design for improved room acoustics analysis) " ] 通過^！奪白噪聲JH益 (WNG)約束施加到波束圖形合成中，Li和Duraswami [Z. Y. Li和R. Duraswami，聲頻語音語言會報，2007年2月，第15卷，No. 2，702-714頁的「用于波束成型的球形麥克風陣列的靈活禾口優化設計(Flexible and optimal design of spherical microphone arrays for beamforming) 」]提出了陣列權重優化方法，以找到波束成型的指向性和魯棒性之間的平衡，其在實際應用中是有用的。然而上述研究只考慮了對稱波束圖形，Rafaely[B. Rafaely, ICASSP會報，2008年4月，281-284頁中的「用於方向性室內脈衝響應分析的具有多個零點白勺 求形胃克風陣歹ll (Spherical microphone array with multiple nulls for analysis of directional room impulse responses) 」]將波束圖形設計方法延展至球形麥克風陣列的非對稱情況。該方法在空間域和球面諧波域中都用公式表示，並包括多零點轉向方法， 其中在波束圖形中形成了固定的零點且零點轉向來自已知的外部波束方向的幹擾，目的是獲得更好的信噪聲比。在「用於機器人學中的近場和遠場揚聲器的定位的基于波束成型的模型分析(Modal Analysis Based Beamforming for Nearfield or Farfield Speaker Localization in Robotics) 」(Argentieri 等人，2006 年 IEEE/RSJ 智慧機器人及系統國際會議會報，866-871頁)中，採用了凸優化技術並使用了球面諧波構架以分析該問題，但是沒有將波場分解為球面諧波。然而，在上述球面諧波域波束成型的研究中，不能適應性地在波束圖形中形成多個深零點並對其進行控制以抑制來自任意的外部波束方向的動態幹擾。在用於視頻或電話會議應用中的語音增強和多頻道聲學回波消除以及方向性室內脈衝響應的分析(即通過脈衝發生和反射分析對室內聲學進行分析)中，通常期望這種幹擾抑制。另外，上述研究不能有效地將多個波束成型性能參數(比如旁波瓣控制和魯棒性約束)包含在單一的優化算法中，因此迄今為止還不可能獲得所有這些互相關聯的參數的總體的最佳解。主要困難在於優化算法是密集型計算。由於上述例如電話會議的應用是消費級應用，該算法必須利用較易獲得的消費級計算能力在合理時間內來執行。也應該注意到，這些應用是基於實時的應用，並需要是實時適應性的。因此非常難於在保持實時操作的同時優化所有期望的參數。實時操作的條件可以基於陣列的應用而變化。然而，在像電話會議的聲音拾取應用中，陣列必須能夠適應與聽覺場景變化的動態所相同的速率。由於人們趨於一次發言達幾秒鐘的周期，採用幾秒鐘(高達5秒鐘)的波束成型器以重新優化波束圖形是有用的。然而，更優選的是系統能夠以秒的時間量級重新優化波束圖形(即重新計算最佳權重)，從而不錯過任何已說過的話。最優選的是系統應該能夠每秒幾次地重新優化權重，這樣一旦檢測到新的信號源(比如新的發言者)，則波束成型器確保在該方向上提供合適的陣列增益。應該注意到，由於根據摩爾法則，計算能力仍然在以指數方式增加，計算能力的提高將快速地減少實施必要的計算的時間量，預計未來將使用明顯增加的重新優化速率來實現實時的應用。由於存在若干個在給定場景中對波束圖形的選擇產生影響的參數，某一參數的一個最佳解未必對其它參數也是最佳的。因此，必須在它們之間做出妥協。找到這些因素之間的最好(最佳)的妥協取決於系統的條件。這可以作為對優化問題的約束條件而被公式
7化。例如，人們可能需要系統具有特定指向性或具有超過選定的臨界水平的增益。可替代地，人們可能需要旁波瓣水平低於特定的臨界值，或者人們可能需要系統具有特定的魯棒性。如上面所討論的，優化是一個密集計算的過程，並且其隨著每個約束的加入而逐漸變得更加密集。因此，實際上，如果能在合理的時間內找到最佳解，將多於一個的約束應用於系統一般是不可行的。在目前為止進行的研究中，優化算法被局限於只有一個或兩個約束。在一些情況下，在各個階段對每個約束分別、逐一求解，但是還沒有可能獲得總體最佳解決方案。存在提供一種尋找用於球形陣列的總體最佳波束圖形、同時將多個約束應用於系統的方法的需要。根據本發明的第一方面，提供了一種在以下類型的波束成型器中形成波束圖形的方法，在該類型中，波束成型器從傳感器陣列接收輸入信號，將輸入信號分解為球面諧波域，將權重係數應用於球面諧波，並將其組合以形成輸出信號，其中通過凸優化，對於給定的輸入參數組，優化權重係數。通過將目標函數和約束表示成凸函數，凸優化技術的應用成為可能。凸優化具有以下優點確保了如果存在總體最小限度則其將被找到，並且可以使用數值方法快速和有效地找到該總體最小限度。在以前的研究中，為了易於形成規則或不規則的、並且與頻率無關的波束圖形，陣列的權重設計方法總是在球面諧波域中採用模態振幅bn(ka)(稍後更詳細地討論)的逆來分離頻率相依的分量。然而，bn(ka)在特定的ka和η值下具有小的值，並且其逆可以破壞波束成型器在實際實施中的魯棒性。在本發明中，通過直接使更一般的權重成為優化構架的指標，優化問題可作為凸優化問題(即其中目標函數和約束都是凸函數)被公式化。 如上面所討論的凸優化的優勢為存在快速(即計算上易處理)的數值解答，該數值解答能夠快速找到優化變量的最佳值。另外，如上面所討論的，凸優化將總是導致整體最佳解，而不是局部的最佳解。因此，使用上面的公式化，本發明的波束成型器甚至能夠使用多個約束應用來適應性地實時地優化陣列波束圖形。凸優化技術已問世了很長時間。用於解答凸優化問題的各種數值方法和軟體工具也已問世了一段時間。然而，只有當目標函數和優化約束都是凸函數時才能使用凸優化， 即如果對於所有x，y都有f(ax+by)彡af(x)+bf(y)，且對於所有a，b都有a+b = l，a彡0 和b>0，則函數f為凸函數。因此使用凸優化技術不總是能解決給定的優化問題。首先， 該問題必須以一種可以應用凸優化的方式被公式化。換句話講，人們必須將(希望對其進行最小化和公式化的)系統的屬性作為凸函數。而且，該優化問題的所有約束必須被公式化為凸等式/不等式或線性等式。本發明通過將波束成型問題公式化為凸優化問題而允許使用多個非常有效的算法，該算法使多約束波束成型問題的實時解易於計算。優選地，傳感器陣列為球形陣列，其中傳感器的位置位於抽象的球形表面上。這種設置的對稱性使得處理更為簡單。多個不同的球形傳感器陣列設置可與本發明一起使用。 優選地，傳感器陣列為選自下面的組中的一種形式開放式球形陣列、剛性球形陣列、半球陣列、雙開放式球形陣列、球殼陣列和具有心形麥克風的單開放式球形陣列。陣列尺寸可基於所涉及的應用和波長而大量變化。然而，對於聲音拾取應用中所用的麥克風陣列，傳感器陣列優選地具有在約8cm和約30cm之間的最大尺寸。在球形陣列的情況下，該最大尺寸為直徑。較大的球形具有很好地處理低頻的優點，但是為了避免對於高頻的空間混淆，兩個麥克風之間的距離應小於最高頻率的波長的一半。因此，如果麥克風的數量有限，則更小的球形意味著麥克風之間的更短的距離和更少的空間混淆問題。可以理解，在高頻應用，比如超聲成像(其頻率預計有5至100MHz)中，傳感器陣列尺寸將會明顯更小。類似地，在聲納應用中，陣列尺寸可以明顯更大。優選地，傳感器陣列為麥克風陣列。麥克風陣列可用在很多語音拾取、電話會議和電話呈現的應用中，用於從其它幹擾噪聲和背景噪聲中隔離出並選擇性地放大不同發言者的聲音。儘管在本說明書中描述的實例涉及電話會議背景下的麥克風陣列，可以理解，本發明存在于波束成型的基本技術之內，並且同等地應用於比如音樂錄製的其它聲頻領域以及比如聲納的其它領域中，例如用於位置檢測或通信的水下水聽器陣列，和比如以具有天線的雷達為傳感器的射頻應用。在優選的實施例中，優化問題和可選的約束被公式化為一個或更多的以下解最小化陣列的輸出功率、最小化旁波瓣水平、最小化主波瓣區域中的失真和最大化白噪聲增益。這些條件中的一個或更多可被選為波束成型器的輸入參數。而且，任何條件都可以被公式化為優化問題。例如，該問題可以被公式化為最小化陣列的輸出功率，其受制於最小化旁波瓣水平，或者該問題可以被公式化為最小化旁波瓣水平，其受制於最小化主波瓣區域中的失真。如果需要的話，可以應用若干個約束，這取決於具體的波束成型問題。在一些優選的實施例中，優化問題被公式化為最小化陣列的輸出功率。這是將被整體最小化的參數，其受制於應用於系統的任何約束。因此，在波束圖形的任何給定區域 (方向)內不存在相反約束的情況下，優化算法旨在通過減小陣列增益來減小陣列增益在該區域內的輸出功率。這具有在除了那些期望獲得增益的區域之外的所有區域中儘可能大地減小增益的總優勢。優選地，輸入參數包括將特定方向上的陣列增益保持在給定水平的條件，從而在波束圖形中形成主波瓣。使用如上所述的減小增益的優化算法的基本思路，將特定方向上的增益保持在給定水平的條件確保了波束圖形中存在主波瓣(即高增益區域，因此信號放大而不是信號衰減)。更優選地，輸入參數包括將多個特定方向上的陣列增益保持在給定水平的條件， 從而在波束圖形中形成多個主波瓣。換句話講，通過應用多個約束，使得陣列增益在多個方向上被保持在選定的水平，從而優化該陣列的指向性。這樣可在陣列的波束圖形中形成多個主波瓣，且可為多個源信號方向提供比剩餘方向更高的增益。還是更優選地，為多個特定方向中的每一個提供個別所需的增益水平，從而在波束圖形中形成多個不同水平的主波瓣。換句話講，優化約束使得在不同方向上應用不同水平的信號保持(即陣列增益)。例如，陣列增益可在一個方向上被保持在比其它方向上更高或更低的水平。這樣波束成型器可集中在多個源信號上，且同時均衡這些信號的水平。 例如，如果存在三個需要被捕捉的源信號且這些信號中的兩個比第三個更強，則系統可在波束圖形中形成三個主波瓣，且指向較弱信號的波瓣具有比指向較強信號的波瓣更強的增益，由此更多地放大較弱的源並且均衡三個源的信號強度。優選地，波束成型器將所述或每個條件公式化為凸約束。更優選地，波束成型器將所述或每個條件公式化為線性均衡約束。使用以這種方式被公式化的約束，該問題變成二階錐形編程問題，其為凸優化問題的子集。二階規劃問題的數值解已被詳細研究並且多個快速和有效的算法可以得到，用於解決凸二階錐形問題。優選地，波束成型器將所述或每個主波瓣條件公式化為以下條件從特定方向入射到陣列上的單位量級的平面波的陣列輸出等於預定常量。換句話講，波束成型圖形被約束，使得陣列輸出將向來自特定方向的入射平面波提供特定的增益。這種約束形式是線性等式，因此可適用於如上述的二階錐形規劃問題。在本發明的優選實施例中，輸入參數包括這樣一個條件即在特定方向上的陣列增益低於給定水平，從而在波束圖形中形成零點。換句話講，波束成型器優化問題受制於一個優化約束，即在至少一個方向上的陣列增益低於所選的臨界值。這使得最小化波束圖形的旁波瓣區域成為可能，由此限制了系統的第二最大限度的尺寸。其也容許在波束圖形中生成「缺口 」，在所選方向上生成特定的低增益，用於擋住幹擾信號。更優選地，輸入參數包括在多個方向上的陣列增益低於給定水平的條件，從而在波束圖形中形成多個零點。換句話講，波束成型器優化問題受制於在多個方向上的陣列增益低於對應的臨界值的優化約束。這樣，可在波束圖形中形成多個零點，由此容許對多個幹擾源的抑制。再優選地，向多個特定方向中的每一方向提供個別的最大增益水平，從而在波束圖形中形成具有不同深度的多個零點。這樣，可將不同水平的約束應用于波束圖形的不同區域。例如，旁波瓣一般可保持在特定水平以下，而更嚴格的約束被應用於期望使用缺口或零點來擋住幹擾信號的區域中。通過只在需要的地方應用最嚴格的約束，波束圖形的自由度受到更小影響，這容許圖形的剩餘部分被更均勻地最小化。優選地，波束成型器將所述或每個旁波瓣條件公式化為凸約束。更優選地，波束成型器將所述或每個旁波瓣條件公式化為二階錐形約束。如上所述，使用以這種方式公式化的約束將所述問題變成二階錐形規劃問題，其為凸優化問題的子集。二階規劃問題的數值解已被詳細研究並且可以使用多種快速和有效的算法來解決凸二階錐形問題。最優選地，波束成型器將所述或每個旁波瓣條件公式化為這樣一個條件即從特定方向入射到陣列上的單位量級的平面波的陣列輸出小於預定常量。如上所述，這種約束的形式是凸等式，因此可適用於如上述的二階錐形規劃問題。優選地，輸入參數包括以下條件，即波束圖形具有特定水平的魯棒性。在應用中， 拾取所期望的源信號是至關重要的，所期望的是確保系統不會僅僅由於微小的錯位、隨意的噪聲或其它不期望的幹擾而發生故障。換句話講，所期望的是系統對錯誤有一定程度的恢復能力。優選地，魯棒性水平被指定為對包括權重係數的向量範數的限制。更優選地，所述範數為歐幾裡得Euclidean範數。如下面被更詳細地描述的，對權重係數的向量範數的最小化最大化了陣列的白噪聲增益，因此增加了系統的魯棒性。優選地，通過二階錐形規劃，權重係數被優化。如上所述，二階錐形規劃為凸優化技術的子集，其已被很詳細地研究並且可使用快速和有效的算法來快速解決該問題。即使當數值約束被應用於系統上時，這種數值算法可以非常快速地找到問題的整體最小限度。優選地，對於球面諧波的每一個階數n，優化一個或更多的權重係數，但是在球面諧波的每一個階數內，所述權重係數對於所述階數η的所有次數m = -η至m = η都是通用的。通過以這種方式減小權重係數的數量，波束圖形被局限於關於觀測方向旋轉對稱。然而，該波束圖形在許多情況下是有用的，並且係數數量的減少簡化了優化問題並容許更快求解。在一些優選實施例中，輸入信號可以在被分解成球面諧波域之前被轉換成頻域。 在一些優選實施例中，波束成型器可為寬帶波束成型器，其中頻域信號被劃分成窄帶頻率區，且其中在頻率區被再組合成寬帶輸出之前，每個區被分別優化和加權。在其它優選實施例中，可在時域中處理輸入信號。並且權重係數可以是適用於球面諧波信號的有限脈衝響應濾波器的抽頭權重。處理域的選擇將取決於具體場景的情況，即具體的波束成型問題。例如，待接收和處理的期望頻譜可以影響在時域和頻域之間的選擇，且使一個域給出了更好的解或在計算上更有效。在一些情況下，時域內的處理是特別有利的，因為其實質上固有為寬帶。因此，使用該實施方式，不需要在優化之前通過密集型計算的傅立葉轉換成頻域，並且不需要在優化之後通過密集型計算的傅立葉逆轉換返回至時域。其也避免了將輸入分離為多個窄帶頻率區以獲得寬帶解。反而，對於所有的權重係數，可求解單一的優化問題。在一些實施例中， 權重係數會採用有限脈衝響應(FIR)濾波器抽頭權重的形式。原則上，從波束成型性能的角度看，如果FIR長度等於FFT長度，則時域和頻域的實施方式可給出相同的波束成型性能。在一些實際實施中，時域具有比頻域顯著的優勢，因為將不需要FFT和逆FFT。然而，從優化的複雜性角度看，假定HR和FFT具有相同的長度 L，則通過單一優化來優化一組FIR(即每個通道L個HR係數)的計算上的複雜性，將比通過L個子帶優化來優化一組陣列權重(即每個通道單一權重)高很多。因此，每個方法在不同情況下可具有優勢。根據第二方面，本發明提供了波束成型器，其包括傳感器陣列，所述每個傳感器被配置為產生信號；球面諧波分解器，其被設置為將輸入信號分解成球面諧波域並輸出分解的信號；權重係數計算器，其被設置為通過(基於一組輸入參數的)凸優化來計算即將應用於分解的信號的權重係數；和輸出生成器，其使用計算得到的權重係數來將分解的信號組合為輸出信號。該波束成型器實現了上面所述的波束成型方法的所有優點。而且，與波束成型方法相關的所有上述優選的特徵也適於該波束成型器的實現方式。如上所述，在時域的實施方式中，輸出生成器可包括多個有限脈衝響應濾波器。優選地，波束成型器還包括信號跟蹤器，其被設置為評價來自傳感器的信號，以確定期望的信號源的方向和不期望的幹擾源的方向。該算法與波束成型優化算法可使用相同數據平行地運行。當定位算法獲取了感興趣的信號的方向和幹擾源的方向時，波束成型器形成用於增強信號源和弱化幹擾信號的合適的波束圖形。如上所述，本說明書主要涉及球面諧波域中的信號處理。然而，此處所描述的技術也適用於其它域，特別是空間域。儘管凸優化已被用於空間域處理的一些應用中，但是對球形陣列問題進行公式化可認為是更有創造性的思路。因此，根據本發明的其它方面，提供了在波束成型器中形成波束圖形的方法，其用於球形傳感器陣列類型，其中波束成型器接收來自陣列的輸入信號，將權重係數應用於該信號並將其組合以形成輸出，其中通過凸優化對給定的一組輸入參數的權重係數進行優化。發明人認識到，針對球面諧波域而開發的技術和公式也適用於空間域中球形陣列的處理，且因此也可能使用本發明在空間域中實時地實施多約束的優化。根據另一方面，本發明提供了在以下類型的波束成型器中形成波束圖形的方法 其中波束成型器從傳感器陣列接收輸入信號，將權重係數應用於該信號並將其組合以形成輸出信號，其中通過凸優化對給定的一組輸入參數的權重係數進行優化，所述權重係數受制於以下約束即在多個指定方向上的陣列增益保持在給定水平，從而在波束圖形中形成多個主波瓣，且其中每個條件被公式化為一個這樣的條件即從指定方向入射到陣列上的單位量級的平面波的陣列輸出等於預定常量。如上所述，從本說明書中得到的所述方法的適用性可容許將多個約束應用於優化問題，而不會使所述系統慢得沒有實際用處。因此，使用本發明的技術和公式表示，有可能在應用多主波瓣成型和指向性約束的同時應用多零點成型和轉向約束、魯棒性約束以及主波瓣波束寬度約束。優選地，波束成型器能夠實時或準實時運行。應理解，如果環境(例如聲頻應用中的聲學環境)是固定的，則不必在運行期間更新陣列的權重。反而，可提前計算單獨的一組優化的權重(例如在系統啟動時或根據校準指令)並且不需在運行期間發生改變。然而， 該設置沒有利用本發明的全部效用。因此優選地，通過根據變化的環境和約束來重新解決優化問題，陣列動態地改變最佳權重。如上所述，系統可優選地實時或準實時地重新優化陣列權重。實時的定義可根據應用而變化。然而，在本說明書中，我們指的是陣列能夠在一秒鐘內重新優化陣列權重並形成新的優化波束圖形。對於準實時，我們指的是高達約5秒鐘的優化時間。在環境動態不發生這樣快速改變的情況下，例如在源和幹擾的數量和方向只發生很少改變的演講中的聲學效果下，該準實時可能仍是有用的。在實時或準實時運行中，優選地在背景中運行優化操作，目的是逐漸和連續地更新權重。可選地，用於特定情況的權重組可預先計算和存儲在內存中。因此一旦環境變化， 最適合的權重組可以簡單地被裝載在系統中。然而應理解，該實施方式沒有充分利用本發明的實際的實時優化的效用和速度。本發明的波束成型器可以在空間域以及球面諧波域中很好地運行。域的選擇將取決於期望被處理的陣列的特定應用、陣列的幾何形狀、信號的特徵和所需要的處理類型。儘管空間域和球面諧波域一般是最有用的，其它域(例如柱狀諧波域)也可被使用。另外，可在頻域或時域中完成處理。特別地，使用球面諧波分解的時域處理也是有用的。因此優選地，傳感器信號被分解成一組正交基函數，用於進一步處理。最優選地，正交基函數為球面諧波，即對球坐標內的波方程求解並且通過球面傅立葉變換實施波場分解。球面諧波域特別好地適合於球形或近似球形的陣列。根據另一方面，本發明提供了在傳感器陣列中在波束成型器內優化波束圖形的方法，其中來自傳感器的輸入信號被加權和組合，以形成陣列輸出信號，且其中通過將陣列輸出功率表示為傳感器權重的凸函數，並通過最小化輸出功率(其受制於一個或更多個約束，其中所述一個或更多個約束被表示為傳感器權重的凸函數的等式和/或不等式)，而對傳感器權重進行優化。可見本發明的方法提供了對波束成型問題的一般解。大量的約束可同時應用於具有一個整體最佳解的單一優化問題。然而，如果應用了很少的約束，將與上述現有研究的結
12果相同。因此本發明可看作對問題的更一般的解。現在將討論本系統優選形式的更詳細的分析。由於在實際中一般採用空間過度取樣，下面的分析集中在球面諧波域處理，其更加有效。然而，應理解，所討論的與球面諧波域的權重函數相關的技術採用了與空間域內的分析相同的方式，並且導致了類推的凸優化問題。一些背景材料的來源和有用的結果在本申請的附錄中給出。下面描述中的方程數量遵循附錄中的方程數量。從現有的研究中看，為了易於形成規則或不規則、以及與頻率無關的波束圖形，陣列權重設計方法在球面諧波域中一直採用bn(ka)的逆，以分離頻率相依的分量。然而，由於bn(ka)在特定的ka和η值時具有小的值，而且其逆將破壞在實際實施中的魯棒性，我們直接將更一般的權重作為我們優化框架的目標。下一節使用矩陣公式化推導出附錄中得出的結果，並且導出了本發明的凸優化問題和相應約束。我們使用表達式χ = vec( {[xnm ]"m_n =『(16)其中vec(·)表示在圓括號內堆疊所有項，以獲得(N+1)2X1列向量，並且(·)τ 表示轉置。使用該表達式，我們可進一步定義w = vec({Kj:=_ }:=0),(17)
_b = vec({[H=0)，(18)Y = vec({[C];=_ }:=0),(19)p = vec(m).(20)注意到(18)指的是b具有從(n2+l)到(n+1)2項的bn重複。從(9)看出ρ可被看做是模態陣列流形向量。我們可以向量符號將(14)寫為y(ka) = wH(k)x(ka) = xH(ka)w(k)，(21)其中(·)H 表示 Hermitian 轉置。在下面的描述中，優化問題被公式化為最小化陣列輸出功率，目的是抑制任何來自外部波束方向的幹擾，同時保留來自主波瓣方向的信號且控制旁波瓣。另外，為了改善波束成型器的魯棒性的目的，白噪聲增益約束也被應用於將陣列權重的範數限定為特定常量。陣列輸出功率由P0(ω) = E[y (ka) y*(ka) ] = wH(k)E[χ (ka) χΗ(ka) ]w = wH(k) R(ω) w(k)，(22)給出其中，Ε[·]表示括號中量的統計期望，且R(co)為χ的協方差矩陣(譜矩陣)。指向性圖形，由H(ka，Ω)表示，其為對來自所有感興趣的角度的單位輸入信號的陣列響應函數。因此，
MHika, Ω) = ^ a, p(ka, Ω, Ω, )w* (λ, Ω,)
J=I
=Yj ΣPnm(^XAk) = ^H(k)p(ka,Ω).(23)
η=0 m=t-n假定信號源彼此不相關，χ的協方差矩陣具有下面的形式R(iy) = E[x(知)χ" (ka)]
= fi2a20p(ka,n0)pH(ka,n0) + Yja2dp(ka,Qd)pH(ka,Qd) + Q(a),(24)其中{σ〗}^^ +1不個相關信號的功率，且Q( ) = Ε[Ν(ω)ΝΗ(ω)]是具有 N = vec({[AUL- }ム)的噪聲協方差矩陣。現在我們考慮噪聲場的特殊情況各向同性噪聲，即噪聲在球面上均勻分布。具 有功率譜密度σ 2(勸的各向同性噪聲可被看做如同存在無窮數量的具有均勻功率密度 σ 2(ω)/(4;τ)的不相關的平面波，其從所有方向Ω到達球體。因此，通過在所有方向上對協
方差矩陣積分，各向同性噪聲協方差矩陣由
權利要求
1.一種在波束成型器中形成波束圖形的方法，其中，所述波束成型器的類型為所述波束成型器接收來自傳感器陣列的輸入信號，將所述輸入信號分解為球面諧波域，將權重係數應用至所述球面諧波並對其進行組合以形成輸出信號，其中，通過凸優化對給定組的輸入參數的權重係數進行優化。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述傳感器陣列是球形陣列，其中所述傳感器的位置位於抽象球形表面上。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述傳感器陣列是選自下組中的一種形式開放式球形陣列、剛性球形陣列、半球形陣列、雙開放式球形陣列、球形殼陣列和具有心形麥克風的單開放式球形陣列。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其中，所述陣列被設計為用於語音頻段應用，且具有大約8cm至30cm的最大尺寸。
5.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述傳感器陣列是麥克風陣列。
6.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，優化問題及可選的約束被公式化為以下中的一個或更多個最小化所述陣列的輸出功率，最小化旁波瓣水平，最小化主波瓣區域中的失真和最大化白噪聲增益。
7.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，優化問題被公式化為最小化所述陣列的輸出功率。
8.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述輸入參數包括以下條件指定方向上的陣列增益保持在給定水平，以在波束圖形中形成主波瓣。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述輸入參數包括以下條件多個指定方向上的陣列增益保持在給定水平，以在波束圖形中形成多個主波瓣。
10.如權利要求9所述的方法，其中，為所述多個指定方向中的每個提供單獨的指定的增益水平，以在波束圖形中形成不同水平的多個主波瓣。
11.如權利要求8、9或10所述的方法，其中，所述波束成型器將所述條件或每一條件公式化為凸約束。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述波束成型器將所述條件或每一條件公式化為線性等式約束。
13.如權利要求12所述的方法，其中，所述波束成型器將所述條件或或每一條件公式化為以下條件從指定方向入射至所述陣列的單位量級平面波的陣列輸出等於預定常數。
14.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述輸入參數包括以下條件指定方向上的陣列增益低於給定水平，以在波束圖形中形成零點。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述輸入參數包括以下條件多個指定方向上的陣列增益低於給定水平，以在波束圖形中形成多個零點。
16.如權利要求15所述的方法，其中，為多個指定方向中的每個提供單獨的最大增益水平，以在波束圖形中形成不同深度的多個零點。
17.如權利要求14、15或16所述的方法，其中，所述波束成型器將所述條件或每一條件公式化為凸約束。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述波束成型器將所述條件或每一條件公式化為二階錐形約束。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述波束成型器將所述條件或每一條件公式化為以下條件從指定方向入射至所述陣列的單位量級平面波的陣列輸出的量級小於預定常數。
20.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述輸入參數包括以下條件所述波束圖形具有指定水平的魯棒性。
21.如權利要求20所述的方法，其中，魯棒性水平被指定為對包括權重係數的向量的範數的限制。
22.如權利要求21所述的方法，其中，所述範數是歐幾裡得範數。
23.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述權重係數由二階錐形規劃優化。
24.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，為球面諧波的每個階數η優化一個或更多個權重係數，但在球面諧波的每個階數內，所述權重係數通用於所述階數η的所有次數m =_n M m = η。
25.如前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述輸入信號在被分解為球面諧波域之前變換為頻域。
26.如權利要求25所述的方法，其中，所述波束成型器是寬帶波束成型器，其中頻域信號被劃分成窄帶頻率槽，且其中每個槽在所述頻率槽被重組為寬帶輸出之前分別被優化和加權。
27.如權利要求1至24中任一項所述的方法，其中，所述輸入信號在時域被處理，且其中所述權重係數是應用至球面諧波信號的有限脈衝響應過濾器的抽頭權重。
28.一種波束成型器，包括傳感器陣列，每一傳感器被設置為生成信號；球面諧波分解器，其被設置為將輸入信號分解為球面諧波域並輸出分解信號； 權重係數計算器，其被設置為通過基於一組輸入參數的凸優化來計算將被應用至所述分解信號的權重係數；以及輸出生成器，其用計算出的權重係數將所述分解信號組合為輸出信號。
29.如權利要求28所述的波束成型器，還包括信號跟蹤器，其被設置為評估來自傳感器的信號，以確定期望信號源的方向和不需要的幹擾源的方向。
30.一種在波束成型器中形成波束圖形的方法，其中波束成型器的類型為所述波束成型器接收來自傳感器陣列的輸入信號，將權重係數應用至所述信號並將其組合以形成輸出信號，其中，通過凸優化對給定組的輸入參數的權重係數進行優化，所述權重係數受制於以下約束在多個指定方向上的陣列增益保持在給定水平，以在波束圖形中形成多個主波瓣；且其中每個條件被公式化為以下條件從所述指定方向入射至所述陣列的單位量級平面波的陣列輸出等於預定常數。
31.一種軟體產品，其在計算機中被執行時使計算機實現如權利要求1至27或30中的任一項所述的步驟。
32.如權利要求31所述的軟體產品，其中，所述軟體產品是數據載體。
33.如權利要求31所述的軟體產品，其中，所述軟體產品包括從遠程地點傳輸來的信號。
34.一種用於製造物理載體形式的軟體產品的方法，包括將指令儲存在數據載體上，所述指令在由計算機執行時使計算機實現如權利要求1至27或30中任一項所述的方法。
35. 一種通過將數據傳輸至遠程地點的計算機來向所述遠程地點提供軟體產品的方法，所述數據包括指令，所述指令在由計算機執行時使計算機實現如權利要求1至27或30 中任一項所述的方法。
全文摘要
一種在波束成型器中形成波束圖形的方法，其中，波束成型器的類型為所述波束成型器接收來自傳感器陣列的輸入信號，將輸入信號分解為球面諧波域，將權重係數應用至球面諧波並將其組合以形成輸出信號，其中，通過凸優化對給定組的輸入參數的權重係數進行優化。提供了用於形成用於多主波瓣成型、均勻和非均勻旁波瓣控制、自動零點轉向、魯棒性和白噪聲增益的二階錐形規劃約束的公式化表達。
文檔編號H04R3/02GK102440002SQ201080020705
公開日2012年5月2日 申請日期2010年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者U·皮特·斯文森, 孫浩海, 閆佘峰 申請人:挪威科技大學技術轉讓公司