[发明专利]基于原子范数的球面阵列声源波达方向估计方法

说明书

本发明公开了基于原子范数的球面阵列声源波达方向估计方法，步骤为：1)搭建由Q个传声器(2)构成的球形传声器(2)阵列；2)声源(1)向球形传声器(2)阵列辐射声波；3)建立声源波达方向测量模型，并构建传声器(2)测量得到的声压信号矩阵P^★；4)建立协方差矩阵5)利用球面ESPRIT算法对协方差矩阵进行解算，确定声源波达方向。本发明能克服球面ESPRIT在高频、相干声源或少数据快拍工况下失效的缺陷，并显著提高低SNR工况下的声源DOA估计精度，即使在存在混响的普通测试环境中，本发明仍然有效。

技术领域

本发明涉及声源识别领域，具体是基于原子范数的球面阵列声源波达方向估计方法。

背景技术

声源波达方向(Direction-Of-Arrival,DOA)估计问题普遍存在于噪声源识别、目标探测、故障诊断等领域。基于球面传声器阵列测量的旋转不变信号参数估计(Estimationof Signal Parameters via Rotational Invariance Technique,ESPRIT)技术，简称球面ESPRIT，凭借能全景估计声源波达方向、计算复杂度低等优势而备受关注。球面ESPRIT以阵列传声器测量信号的协方差矩阵为输入，基于球谐函数的递归关系，将声源DOA估计问题转化为最小二乘求解和特征值分解问题。现有球面ESPRIT仅适用于传声器采样的球谐函数满足正交性的情形，传声器的离散性使满足该特性的球谐函数的阶都不高，这限制了可用的上限频率。其次，作为一种子空间方法，球面ESPRIT不可避免地承受子空间方法对相干声源、少数据快拍或低信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)工况失效的固有缺陷。这些问题和缺陷成为阻碍球面ESPRIT成功解决各种声源DOA估计问题的关键障碍。针对上限频率受限的缺陷，目前尚未见解决方法的相关报道。

针对相干声源、少数据快拍或低SNR工况失效的缺陷，现有技术采用正向反向平均方法和频率光滑技术来去除源相关性。但是，而且正向反向平均方法仅适用于相干声源数目为2的情形，频率光滑技术仅适用于声源辐射宽带信号的情形。

综上所述，球面ESPRIT对高频声源、相干声源、少数据快拍或低SNR工况失效的缺陷还悬而未决。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于原子范数的球面阵列声源波达方向估计方法，包括以下步骤：

1)搭建由Q个传声器构成的球形传声器阵列。球形传声器阵列中心记为坐标原点。其中，第q个传声器位置记为a为阵列半径，q＝1,2,…,Q。Ω＝(θ,φ)表示球形传声器阵列所在三维空间内的任意方向。θ∈[0°,180°]为仰角，φ∈[0°,360°)为方位角。

2)声源向球形传声器阵列辐射声波。

3)建立声源波达方向测量模型，并构建传声器测量得到的声压信号矩阵P^★。

建立声源波达方向测量模型，包括以下步骤：

3.1)计算第i个声源到第q个传声器的传递函数即：

式中，n和m分别为球谐函数的阶和次。b_n(ka)为模态强度。为Ω方向的球谐函数。Ω_Si表示第i个声源波达方向。i＝1,2,…,I。I为声源总数。k为声源辐射声波的波数。上标*表示共轭。

模态强度b_n(ka)如下所示：