面向室內(nèi)復雜環(huán)境的聲陣列高性能波達角估計研究.pdf

1、在以物聯(lián)網(wǎng)為背景的目標監(jiān)測領(lǐng)域，基于聲陣列技術(shù)，對聲源進行測向、定位與追蹤一直是重要的研究課題。由多個麥克風組成的單個聲陣列具備測向精度高、隱蔽性好的特點，被廣泛應用于低空無人機/直升機預警、野生動物習性監(jiān)測，水下魚雷/潛艇定位、跟蹤等國防和民用的眾多領(lǐng)域，發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來，隨著智能家居和室內(nèi)定位等領(lǐng)域?qū)β曉炊ㄎ坏男枨笤絹碓狡惹?，面向室?nèi)的聲陣列技術(shù)成為學術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。但受限于室內(nèi)混響和噪聲的嚴重干擾，以及波達角易

2、產(chǎn)生估計模糊等問題，如何在復雜的室內(nèi)場景中實現(xiàn)高精度的波達角估計是一個極具挑戰(zhàn)的課題。本文主要基于聲陣列技術(shù)，以面向室內(nèi)聲源定位為研究目標，從有效的解模糊方法探索、抑制混響和噪聲的波達角估計算法研究以及基于單陣列定位系統(tǒng)實現(xiàn)等方面展開較為系統(tǒng)和深入的研究。主要內(nèi)容如下:
　　首先，研究了聲陣列的理論基礎(chǔ)，包括推導了窄帶和寬帶陣列信號模型，研究了陣列性能評價指標，仔細分析和推導了不同類型的波達角估計算法。此外，研究了壓縮感知(CS)

3、信號稀疏表示，設(shè)計觀測矩陣以及信號重構(gòu)等基礎(chǔ)理論，并對基于壓縮感知(CS)稀疏重構(gòu)的波達角估計算法進行了理論分析。
　　其次，提出了采用多頻帶實現(xiàn)解模糊的方法，并推導出了實現(xiàn)解模糊的頻帶和陣元間隔的約束條件，給陣元間隔的選擇帶來很大的自由度，能有效的提高波達角估計的分辨力。提出采用CS的波達角估計算法進行仿真驗證，當陣元間隔大于半波長時，只要滿足解模糊約束，即可估計出真實的波達角。同時為了實現(xiàn)穩(wěn)定的解模糊，研究了在不同SNR下所需

4、解模糊的頻帶數(shù)。此外，我們將基于CS波達角估計的解模糊算法與基于MUSIC算法和Beam forming算法的解模糊進行比較，發(fā)現(xiàn)基于CS的波達角估計算法在角度分辨力上存在明顯的優(yōu)勢，可以避免再次出現(xiàn)空間譜混疊問題。
　　接著，提出了基于頻域的時延估計算法(FD-TDE算法)。該算法在室內(nèi)環(huán)境中有效的提高了波達角估計性能。通過建立基于頻域的信號誤差估計模型，推導出FD-TDE算法的表達式，并且基于解模糊約束分析了該方法的解模糊特性

5、，根據(jù)多量測信息采用最小二乘法提高波達角估計的準確性。采用Image Model模型，對不同信噪比(SNR)和混響(RT60)的室內(nèi)環(huán)境，進行基于FD-TDE的波達角估計算性能驗證。仿真和實驗均證明，相比GCC-PHAT算法，F(xiàn)D-TDE算法具有更好的抑制混響和噪聲的能力且復雜度更低，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、準確的波達角估計。
　　最后，實現(xiàn)了基于單個聲陣列和智能手機的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與搭建。仿真驗證了chirp信號比語音信號具備更強的抑制