基于空间域的麦克风阵列近场声源定位与增强研究

摘要

随着科技的发展和进步，麦克风阵列信号处理已逐渐成为信号处理领域的一大研究热点。麦克风阵列在时域和频域的基础上增加一个空间域，不仅对来自空间不同方向的声源具有跟踪定位特性，而且还具有空域滤波的功能，这就为语音信号处理提供了一个新的思路。本文按照这个新的思路对近场声源定位及增强算法进行了研究，主要工作总结如下：
　　第一，分析了语音信号的特性及声波在空气中的传播模型，结合传统远场均匀线性阵列接收模型研究了均匀线阵、均匀圆阵及任意拓扑结构的近场球面波接收模型。
　　第二，针对近场均匀圆形麦克风阵列接收模型引起俯仰角角度模糊的缺点，本论文建立了一种新的改进的麦克风阵列接收模型。在此基础上，将宽带聚焦算法与近场三维MUSIC算法相结合对三维空间声源进行了定位。通过仿真得出基于宽带聚焦的3D-MUSIC算法不仅克服了传统的空间平滑去相干方法仅针对均匀线阵接收模型的缺点而且比近场三维MUSIC算法有更好的实用性及有效性。最后，针对基于宽带聚焦的3D-MUSIC算法计算量较大的缺点，采用了分两步估计的方法，并通过实验验证了该方法在保证定位准确性的基础上大大减少了计算复杂度。
　　第三，在声源估计存在误差的情况下对几种近场波束形成算法进行了分析，得出近场RCB算法具有对导向矢量误差和协方差矩阵误差的双重鲁棒性。针对声源位置估计存在误差时，广义旁瓣抵消器GSC算法中固定波束形成部分鲁棒性差，不能准确获得期望方向语音信号的缺点，本论文将GSC算法中的固定波束形成部分用具有双重鲁棒性的RCB算法代替。最后，通过实验仿真对位置估计存在误差的语音信号进行了增强，并得出基于RCB的GSC算法比其他几种算法有更好的语音增强效果。