基于麦克风阵列声源定位的算法研究

论文摘要

基于麦克风阵列的声源定位是近年来信号处理领域的一大研究热点,在视频电话会议、智能机器人、语音识别及增强等场合有广泛的应用前景。基于阵列的定位算法主要研究方向为超分辨方向估计,已经产生了大量性能优异的定位算法可资利用。但是典型的MUSIC算法主要针对窄带系统模型,而且计算量较大。因此本文主要研究相对带宽的声音信号如何选择阵列结构、以及降低非相干信号子空间处理算法(ISM)运算量的问题。具体的工作内容如下:首先,研究了阵列的结构问题。对常用的均匀线阵和均匀圆阵进行了比较。考虑到麦克风阵列采集到的声信号为近场宽带信号,分析了阵元间距的影响,按几种不同的阵元间距值作了仿真试验。然后选取合适的阵元间距仿真分析均匀线阵和均匀圆阵的近场模型。其次,针对声源定位算法中方向向量为复矩阵带来的运算量大的问题,通过一种基于奇数阵元对称的预处理方法,将算法的处理由复数域转换到实数域。通过仿真分析可知不论阵元数是奇数还是偶数只要阵列满足对称的条件就能将方向向量转化为实矩阵。该方法算法简单、运算量小,可应用到任意对称的阵列中。最后,针对ISM算法中协方差矩阵特征值分解运算量大、难以在嵌入式系统中实现的问题,分析了普通幂迭代算法、逆幂迭代算法、特征值平移幂迭代算法三种幂迭代算法。比较了它们的优缺点,并用计算机仿真来验证。在此基础上选取了特征值平移幂迭代算法来代替特征值分解,降低了运算的复杂度。该方法在相同条件下,计算精度相比其他两种幂迭代算法较高。并在Matlab环境下进行了仿真实验。验证了所用方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 课题的研究历史及发展现状
• 1.2.1 基于麦克风阵列的声源定位算法
• 1.2.2 基于子空间的宽带声源定位算法
• 1.2.3 基于麦克风阵列声源定位系统的应用
• 1.3 论文研究的内容和结构安排
• 第2章 麦克风阵列信号模型和拓扑结构
• 2.1 麦克风阵列的信号模型
• 2.1.1 传统阵列信号处理模型
• 2.1.2 麦克风阵列语音信号处理模型
• 2.2 麦克风阵列的近场传播模型
• 2.3 麦克风阵列的拓扑结构
• 2.3.1 麦克风阵元间距
• 2.3.2 麦克风种类
• 2.3.3 麦克风阵列结构选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 声源定位算法研究
• 3.1 多重信号分类算法（MUSIC）
• 3.1.1 经典MUSIC 算法
• 3.1.2 MUSIC 算法空间谱
• 3.2 麦克风阵列声源定位MUSIC 算法
• 3.2.1 信号子空间非相干处理方法
• 3.2.2 阵元间距的选择
• 3.3 均匀线阵和均匀圆阵的近场模型
• 3.3.1 均匀线阵（ULA）的近场模型
• 3.3.2 均匀圆阵（UCA）的近场模型
• 3.4 仿真和性能分析
• 3.4.1 实验一（选择阵元间距）
• 3.4.2 实验二（均匀线阵近场）
• 3.4.3 实验三（均匀圆阵近场）
• 3.5 本章小结
• 第4章 ISM 算法的信号预处理
• 4.1 基于对称阵列的ISM 算法的预处理算法
• 4.1.1 均匀线阵的预处理方法
• 4.1.2 均匀圆阵的预处理方法
• 4.2 仿真和性能分析
• 4.2.1 实验一（均匀线阵）
• 4.2.2 实验二（均匀圆阵）
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于子空间的幂迭代算法
• 5.1 幂迭代算法
• 5.1.1 普通的幂迭代算法
• 5.1.2 逆幂迭代算法
• 5.1.3 特征值平移幂迭代算法
• 5.1.4 MPI 算法流程
• 5.2 仿真和性能分析
• 5.2.1 实验一（三种幂迭代算法比较）
• 5.2.2 实验二（幂迭代算法与特征值分解算法比较）
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介