面向室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的聲陣列高性能波達(dá)角估計(jì)研究.pdf

1、在以物聯(lián)網(wǎng)為背景的目標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，基于聲陣列技術(shù)，對(duì)聲源進(jìn)行測(cè)向、定位與追蹤一直是重要的研究課題。由多個(gè)麥克風(fēng)組成的單個(gè)聲陣列具備測(cè)向精度高、隱蔽性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低空無(wú)人機(jī)/直升機(jī)預(yù)警、野生動(dòng)物習(xí)性監(jiān)測(cè)，水下魚雷/潛艇定位、跟蹤等國(guó)防和民用的眾多領(lǐng)域，發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來(lái)，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?lái)越迫切，面向室內(nèi)的聲陣列技術(shù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。但受限于室內(nèi)混響和噪聲的嚴(yán)重干擾，以及波達(dá)角易

2、產(chǎn)生估計(jì)模糊等問(wèn)題，如何在復(fù)雜的室內(nèi)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高精度的波達(dá)角估計(jì)是一個(gè)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(biāo)，從有效的解模糊方法探索、抑制混響和噪聲的波達(dá)角估計(jì)算法研究以及基于單陣列定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面展開(kāi)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(dǎo)了窄帶和寬帶陣列信號(hào)模型，研究了陣列性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，仔細(xì)分析和推導(dǎo)了不同類型的波達(dá)角估計(jì)算法。此外，研究了壓縮感知(CS)

3、信號(hào)稀疏表示，設(shè)計(jì)觀測(cè)矩陣以及信號(hào)重構(gòu)等基礎(chǔ)理論，并對(duì)基于壓縮感知(CS)稀疏重構(gòu)的波達(dá)角估計(jì)算法進(jìn)行了理論分析。
　　其次，提出了采用多頻帶實(shí)現(xiàn)解模糊的方法，并推導(dǎo)出了實(shí)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(lái)很大的自由度，能有效的提高波達(dá)角估計(jì)的分辨力。提出采用CS的波達(dá)角估計(jì)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，當(dāng)陣元間隔大于半波長(zhǎng)時(shí)，只要滿足解模糊約束，即可估計(jì)出真實(shí)的波達(dá)角。同時(shí)為了實(shí)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(dá)角估計(jì)的解模糊算法與基于MUSIC算法和Beam forming算法的解模糊進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)基于CS的波達(dá)角估計(jì)算法在角度分辨力上存在明顯的優(yōu)勢(shì)，可以避免再次出現(xiàn)空間譜混疊問(wèn)題。
　　接著，提出了基于頻域的時(shí)延估計(jì)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(dá)角估計(jì)性能。通過(guò)建立基于頻域的信號(hào)誤差估計(jì)模型，推導(dǎo)出FD-TDE算法的表達(dá)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(cè)信息采用最小二乘法提高波達(dá)角估計(jì)的準(zhǔn)確性。采用Image Model模型，對(duì)不同信噪比(SNR)和混響(RT60)的室內(nèi)環(huán)境，進(jìn)行基于FD-TDE的波達(dá)角估計(jì)算性能驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)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(fù)雜度更低，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的波達(dá)角估計(jì)。
　　最后，實(shí)現(xiàn)了基于單個(gè)聲陣列和智能手機(jī)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建。仿真驗(yàn)證了chirp信號(hào)比語(yǔ)音信號(hào)具備更強(qiáng)的抑制