基于麦克风阵列的MUSIC声源定位算法研究

论文摘要

作为阵列信号处理领域的一个分支,麦克风阵列已广泛应用于电视会议、语音增强及识别等方面。声源定位是麦克风阵列进行空间滤波的重要基础,近年来发展迅速。基于阵列的定位算法可以分为超分辨算法和非超分辨算法。超分辨算法可以突破瑞利限,在一定条件下可以实现任意定位精度,具有极大的应用价值。作为超分辨空间谱估计技术的MUSIC(Multiple Signal Classification)算法是经典的DOA算法之一,然而传统的MUSIC算法在信源为窄带远场非相干信号的假设下,才能得到很高的分辨力和估计精度。而麦克风阵列处理的是宽带短时平稳的语音信号,并且声源可能位于阵列的近场范围内,这将导致MUSIC算法性能急剧下降甚至失效。为了能将传统窄带MUSIC算法应用到麦克风阵列系统中,必须针对声源宽带、相干的特点,对MUSIC算法进行改进。本文首先研究了经典MUSIC算法,并通过MATLAB仿真对其性能及参数进行了详细研究。然后对两种基于MUSIC的解相干算法——基于空间平滑的解相干算法和修正MUSIC算法进行研究,并通过MATLAB仿真验证了两种算法的解相干性能,为宽带解相干算法的研究做好充分的准备。之后针对声源信号的宽带特点,对宽带ISM(Incoherent Signal Subspace Method)算法和CSM(Coherent Signal Subspace Method)算法进行深入研究,并将两种解相干方法加入ISM算法中,提高了其对相干信号的估计能力,并同CSM算法一样,实现对远场一维声源信号的DOA估计。由于麦克风阵列信号很多应用环境下处于阵列近场范围内,因此传统的远场平面波模型将不再适用,取而代之的是近场球面波模型。本文在对声源信号深入研究的基础上,构建了精细的近场球面波模型,并提出一种基于时域MUSIC算法的麦克风阵列近场方位角和距离联合估计算法,该算法不需要对阵列接收信号经过FFT变换到频域,也不需要构造聚焦矩阵,降低了计算量,在一定条件下提高了系统的实时性。最后,给出算法的基本实现方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 基于可控波束形成的声源定位算法
• 1.2.2 基于时延估计的声源定位算法
• 1.2.3 基于子空间技术的声源定位算法
• 1.3 本文主要工作和内容安排
• 第2章 声源及阵列模型特征
• 2.1 声源特性
• 2.2 麦克风阵列信号模型
• 2.2.1 麦克风阵列近场信号模型
• 2.2.2 麦克风阵列远场信号模型
• 2.3 阵列特性研究
• 2.3.1 一维麦克风阵列
• 2.3.2 二维麦克风阵列
• 2.4 本章小结
• 第3章 MUSIC 及其解相干算法研究
• 3.1 MUSIC 算法研究
• 3.1.1 经典MUSIC 算法原理
• 3.1.2 MUSIC 算法仿真
• 3.2 基于解相干的MUSIC 算法研究
• 3.2.1 相关信号源数学模型
• 3.2.2 空间平滑算法
• 3.2.3 修正MUSIC 算法
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于麦克风阵列的声源定位算法研究
• 4.1 远场声源一维定位算法研究
• 4.1.1 宽带信号阵列模型
• 4.1.2 ISM 算法
• 4.1.3 CSM 算法
• 4.2 近场声源二维估计算法研究
• 4.2.1 近场信号模型
• 4.2.2 近场宽带方位角距离联合估计算法
• 4.3 麦克风阵列系统基本实现方案
• 4.3.1 硬件系统
• 4.3.2 软件系统
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢