[发明专利]一种基于MVDR协方差矩阵元素自适应相角转换的DOA估计方法

权利要求书

1.一种基于MVDR协方差矩阵元素自适应相角转换的DOA估计方法，其特征在于，包括以下操作：

1)对麦克风阵列接收的声音数据进行归一化的声强校准后分帧处理，再经VAD检测得到包含目的声源的声源有效帧；

2)对检测得到的声源有效帧进行Fourier变换得到声源信号的所有特征子频；

3)选取所有阵元接收信号的特征子频，重建特征子频的协方差矩阵；其中，协方差矩阵由阵列流形矢量与Fourier变换得到的接收信号乘积得到，其非对角元素已包含相邻阵元间的时延表达；

4)将协方差矩阵非对角矢量进行自适应相角转换后进行相位求差，再根据欧拉方程求解，将非对角矢量相位差转化为信号入射方向的俯仰角，进而求得信号入射方向的方位角；

5)根据麦克风阵元组合以及特征子频矢量，对信号入射方向的俯仰角和方位角进行最优加权，从而得到目的声源的DOA估计；

所述的Fourier变换包括以下操作：

21)设定有效声源的平面波信号从球面角θ＝(α，β)入射到麦克风阵列，其中α和β分别为水平方向角和垂直俯仰角，将信号入射方向的单位向量表示为v(θ)＝-[sinβcosαsinβsinαcosβ]^T，其中T为转置；

22)平面波到达第m号阵元相对于作为参考点的第n号阵元的时间延迟表示为τ_m(θ)＝v^T(θ)p_m/c m＝1,…,M，其中c是声波传播速度，τ_m(θ)是第m号阵元与第n号阵元之间的时间延迟，p_m是第m号阵元的位置；

23)设在参考点位置处的阵元接收到的波形为s(t)，则经过传播时延，在第m号阵元接收到的波形为s_m(t)＝s[t-τ_m(θ)]m＝1,…,M；

24)将声源有效帧中麦克风阵列的接收信号表示成M×1维向量形式为：x_s(t)＝[s₁(t)…s_m(t)…s_M(t)]^T，x_s(t)是M个阵元接收信号的波形；

25)对声源有效帧的接收信号做Fourier变换得到：

其中S_m(ω)为Fourier变换后的接收数据，ω为相位，j为单位复数；

所述重建特征子频的协方差矩阵的操作为：

设定有效帧的目的声源信号为能量矩阵中的阵列流形矢量与Fourier变换得到的接收数据S_m(ω)的乘积，得到协方差矩阵R_n；

阵列流形矢量为||a(k)||²＝a^H(k)a(k)＝M’，其中波数k为|| ||表示范数，()^H表示共轭转置，M’为设定常数，a(k)为流形矢量；则协方差矩阵R_n为：

协方差矩阵R_n非对角元素已包含相邻阵元间的时延表达；

协方差矩阵R_n进行自适应相角转换为：

41)协方差矩阵R_n经过对角加载计算R_n+eye_n得到矩阵R_xx，x为矩阵R_xx的非对角元素；

42)对矩阵R_xx求逆得到R_inv，其中R_inv的几何含义表示为特征子频相位差

43)将阵列流形矢量a与求逆协方差矩阵R_inv相乘，其乘积为Φ；

选择R_inv的四项元素作为x₁阵元和x₂阵元在特征子频上的相位差表示，定义其中a₁为第一阵元的阵列流形矢量；a₂为第二阵元的阵列流形矢量，表示a₁的共轭转置；

对Φ进行求解得到：

再将阵列流形矢量a₁分解为矢量表示表示为角度差f为特征子频的频率，d为阵元的笛卡尔坐标，则Φ可表示为：

δ为x阵元特征子频的相位；

化简可得

44)所述相位求差是使得minΦ则可得特征子频的相位差

Δd为阵元坐标数值差；minΦ为Φ最小。