[发明专利]一种无冗余阵元的一阶可调差分阵列的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种无冗余阵元的一阶可调差分阵列的优化设计方法，利用二阶泰勒近似来设计一阶可调差分阵列，先构造最小二乘意义下实现差分阵列波束频率不变性的目标残差代价函数，再分析残差函数极值所对应调向角度和阵列夹角，最后根据给定的优化调向空间确定最优阵型。本发明通过优化阵型来提升无冗余阵元一阶可调差分阵列的鲁邦性能，与常规均匀等边三角形阵列相比，在优化调向空间内，保证频率不变性能的同时提升白噪声抑制能力。

技术领域

本发明属于麦克风阵列领域，特别涉及了一种阵型优化设计方法。

背景技术

麦克风差分阵列是一种具有小尺寸，超指向性，频率不变特性的传声器阵列，被广泛应用于各种便携可持设备和移动通信终端中。

在一些实际应用中，声源仅在一定的角度范围移动，如鲁棒可调波束形成器(见文献1：C.C.Lai,S.E.Nordholm and Y.H.Leung,Design of robust steerable broadbandbeamformers incorporating microphone gain and phase error characteristics,inProc.ICASSP.578(2011),pp.101-104.)、可调波束形成器(见文献2：C.C.Lai,S.E.Nordholm and Y.H.Leung,A Study into the Design of Steerable MicrophoneArrays(Springer,Australia,2017).)，而差分阵列设计中还没有无冗余阵元数目实现约束空间调向的相关研究方法。

在差分阵列设计中，最基本一阶可调差分阵列的构成需要至少3个非共线阵元，如3阵元等边三角形阵型、等腰直角三角形阵型(见文献3：G.W.Elko,“Steerable andvariable first-order differential microphone array,”United States Patent,No.:6041127,Mar.21,2000.)、3阵元等腰直角三角形阵型(见文献4：B.De Schuymer andH.Brouckxon,Steerable microphone array system with a first order directionalpattern,European Patent Application,Application No.:10151106.1,2011-8-24.)。文献3和4均针对360°全空间调向，利用特殊阵型结构，根据传统一阶泰勒近似进行分析和构造可调差分阵列，这些方法在微小尺寸或非常低的频率条件下，近似响应和实际响应不会出现较大误差，但对于非特殊结构阵型(非正交或非等边阵型)或高频条件，传统方法近似分析精度将不能满足要求，因为当阵列夹角或主瓣指向发生变化时，由二阶以上近似项产生的阵列响应虚部也随之变化且不能忽略不计，从而影响阵列响应形成不同的波束。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种无冗余阵元的一阶可调差分阵列的优化设计方法，保证了连续调向优化空间内波束的频率不变性，提高了阵列鲁棒性，减小了对实际阵列分析的近似误差。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种无冗余阵元的一阶可调差分阵列的优化设计方法，包括以下步骤：

(1)通过短时傅里叶变换，在频域采用二阶泰勒近似分别设计单极子和偶极子差分特征波束，然后根据调解参数α合成阵列响应：