一种宽带阵列流型的测算系统及其测算方法

摘要

本发明属于阵列信号处理领域，提供了一种宽带阵列流型的测算系统及其测算方法。该系统及方法通过构造符合离散傅立叶变换的频率分辨率条件的多频带宽信号，对待测传声器阵列进行测试，并基于快速傅立叶变换得到阵列流型。相对于现有有源类校正方式，可极大缩短测算时间。

说明书

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，尤其涉及一种宽带阵列流型的测算系统及 其测算方法。

背景技术

阵列流型是传声器阵列的重要参数，是在感兴趣的方位空间上，所有的传 声器阵列响应向量的集合，其直接影响阵列增益和抗干扰能力，与传声器的一 致性、阵列结构形式和使用环境等要素密切相关。阵列流型的数学符号可以定 义为{A(α,β,f)|(α∈Θ,β∈Φ,f∈Ω)}，其中的Θ表示声源相对传声器阵 列的方位角的范围，Φ表示声源相对传声器阵列的俯仰角的范围。

通常，直接根据传声器阵列中各传声器之间的几何位置关系和处理频段直 接确定的阵列流型称为“理想阵列流型”，其前提是挑选指向性均匀和幅、相 一致性良好的传声器，并通过优化阵列结构、提高传声器位置精度和避免遮挡 等措施消除了不利影响。实际上，由于传声器阵列的设计、生产及安装等原因， 实际阵列流型与理想阵列流型存在失配，若此时采用理想阵列流型作为后续阵 列信号处理的基础，则处理结果不准确，例如，若此时采用理想阵列流型设计 波束，会引起实际波束的旁瓣升高、主瓣畸变。因此，有必要对阵列流型进行 有源类校正，以测算实际阵列流型。

现有技术提供的针对宽带阵列流型的有源类校正方式可以按照角度和频率 逐一窄带测算阵列流型的参数。典型的测算流程是：远处设置声源并逐一播放 频率序列中的单频信号，运用待测传声器阵列接收信号，又采用数据采集存储 设备保存波形；之后，将待测传声器阵列转动一定角度后，重复前述播放、接 收和存储过程，当遍历所有角度后完成测量过程。之后，对存储的波形数据进 行分析处理，具体是：将待测传声器阵列接收到的各通道单频信号与同频率的 复指数信号进行乘法运算、并在累加后计算平均值，当信号频率、采样频率和 分析序列的长度满足一定条件后，该平均值就是对应频率处的实际宽带阵列流 型的参数，从而得到实际宽带阵列流型。

现有技术提供的前述针对宽带阵列流型的有源类校正方式在对波形数据进 行分析处理时，需要对密集频率点的参数进行逐一测算以获得宽带阵列流型， 测算时间长，无法满足时间效率的要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种宽带阵列流型的测算系统，旨在解决现 有技术针对宽带阵列流型的有源类校正方式在对波形数据进行分析处理时，需 要对密集频率点的参数进行逐一测算以获得宽带阵列流型，测算时间长的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种宽带阵列流型的测算系统，所述系统包 括：

声源；

转台，所述转台固定连接待测传声器阵列；

多通道综合声学分析仪，用于生成待测带宽信号和待测声源入射角度的序 列，并实现所述转台偏转角度的控制，之后在所述待测传声器阵列的每一声源 入射角度下，控制所述声源播放待测宽带信号至结束，采集播放时间内所述待 测传声器阵列输出的传声器阵列信号并存储，若非首次采集，则同时根据前一 声源入射角度下存储的传声器阵列信号、基于快速傅立叶变换获得对应的阵列 流型，所述待测带宽信号是由多个单频信号叠加而成，每一单频信号的频率均 为离散傅立叶变换的频率分辨率的整数倍；

功率放大器，用于对所述待测带宽信号放大后驱动所述声源发声。

本发明实施例的另一目的在于提供一种如上所述的宽带阵列流型的测算系 统的测算方法，所述方法包括以下步骤：

多通道综合声学分析仪生成待测带宽信号和待测声源入射角度的序列，所 述待测带宽信号是由多个单频信号叠加而成，每一单频信号的频率均为离散傅 立叶变换的频率分辨率的整数倍；

所述多通道综合声学分析仪控制转台转动，以带动待测传声器阵列至当前 待测的声源入射角度；

所述多通道综合声学分析仪控制声源播放所述待测宽带信号至结束，采集 播放时间内所述待测传声器阵列输出的传声器阵列信号并存储，若非首次采集， 则同时根据前一声源入射角度下存储的传声器阵列信号、基于快速傅立叶变换 获得对应的阵列流型；

所述多通道综合声学分析仪若判断没有完成全部待测声源入射角度的测 量，则返回所述多通道综合声学分析仪控制转台转动，以带动待测传声器阵列 至当前待测的声源入射角度的步骤，直至完成全部待测声源入射角度的测算为 止。

本发明实施例提出的宽带阵列流型的测算系统及其测算方法通过构造符合 离散傅立叶变换的频率分辨率条件的多频带宽信号，对待测传声器阵列进行测 试，并基于快速傅立叶变换得到阵列流型。相对于现有有源类校正方式，可极 大缩短测算时间。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的宽带阵列流型的测算系统的结构图；

图2是本发明第二实施例提供的宽带阵列流型的测算系统的测算方法的流 程图；

图3是本发明第二实施例中、多通道综合声学分析仪生成待测带宽信号的 详细流程图；

图4是本发明第二实施例中、多通道综合声学分析仪生成待测带宽信号的 生成过程示意图；

图5是本发明第二实施例中、多通道综合声学分析仪基于快速傅立叶变换 获得对应的阵列流型的详细流程图；

图6是是本发明第二实施例中、多通道综合声学分析仪基于快速傅立叶变 换获得对应的阵列流型的获取过程示意图；

图7是本发明第三实施例提供的宽带阵列流型的测算系统的测算方法的流 程图；

图8是本发明第三实施例中、信噪比与参数测量误差关系图的一种实例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有针对宽带阵列流型的有源类校正方式存在的问题，本发明提出了 一种宽带阵列流型的测算系统及其测算方法。首先分析该系统及方法的测算原 理：

假设由M个传声器组成的传声器阵列接收位于方位角α、俯仰角β的声源 发射的带宽信号，每一传声器为一通道，第m个通道对频率为f_i的频率信号的 幅度响应为B_m,i，第m个通道对频率为f_i的频率信号的相移为则定义所需 测算的宽带阵列流型为：

其中，{A(α,β,f_i)|(α∈Θ,β∈Φ,f_i∈Ω)}即为需测算的宽带阵列流 型，Θ表示声源相对传声器阵列的方位角的范围，Φ表示声源相对传声器阵列 的俯仰角的范围，Ω表示宽带频率的范围。

对各通道经A/D转换后的采样信号x_m(n)进行离散傅立叶变换，傅立叶变换 的序列点数N等于2的整数次幂：

$X_m\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_m\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\pi kn}/N)---\left(2\right)$

在高信噪比条件下忽略噪声项，可证明当频率信号的频率f_i满足 f_i＝kf_s/N,k＝0,1,...,N/2-1时，则有：

$A(\alpha ,\beta {,f}_i)=\frac{1}{N}{\left(\begin{array}{cccc}{X}_1\left(k\right)& X_2\left(k\right)& ...& X_M\left(k\right)\end{array}\right)}^T{|}_{f_i=k{f}_s/N}---\left(3\right)$

其中，f_s为采样频率。由于f_s/N表示离散傅立叶变换的频率分辨率，因此， (3)式成立的条件又可表述为：声源发出的带宽信号应由满足频率分辨率整数 倍的频率信号构成。

由此可见，为了求得式(1)形式的阵列流型，需先构建满足条件的宽带信 号，并在传声器阵列的一声源入射角度下，由声源发出该带宽信号，同时采集 传声器阵列中每一通道接收到的信号并存储；之后，对存储的每一通道的信号 做快速傅立叶变换并除以序列点数，得到每一频率下如(3)式形式的阵列流型， 即为在某一声源入射角度时的对应频率的阵列流型。基于以上原理分析，以下 将结合实施例详细说明本发明的实现方式：

图1示出了本发明第一实施例提供的宽带阵列流型的测算系统的结构，为 了便于说明，仅示出了与本发明第一实施例相关的部分。

本发明第一实施例提供的宽带阵列流型的测算系统包括：声源13；转台12， 转台12固定连接待测传声器阵列11；多通道综合声学分析仪14，多通道综合 声学分析仪14连接待测传声器阵列11和转台12，用于生成待测带宽信号和待 测声源入射角度的序列，并实现转台12偏转角度的控制，之后在待测传声器阵 列11的每一声源入射角度下，控制声源13播放待测宽带信号至结束，采集播 放时间内待测传声器阵列输出的传声器阵列信号并存储，若非首次采集，则同 时根据前一声源入射角度下存储的传声器阵列信号、基于快速傅立叶变换获得 对应的阵列流型，若为首次采集，则本次不做处理而待下一次采集再基于本次 采集结果进行处理，其中的待测带宽信号是由多个单频信号叠加而成，每一单 频信号的频率均为离散傅立叶变换的频率分辨率的整数倍；功率放大器15，功 率放大器15连接在多通道综合声学分析仪14和声源13之间，用于对待测带宽 信号放大后驱动声源13发声。

为了查看测算结果并实现对系统的监控，本发明第一实施例提供的宽带阵 列流型的测算系统还可包括：主控计算机16，主控计算机16可通过互联网或 其他无线通信方式实现与多通道综合声学分析仪14的连接，可实现对系统的本 地或远程监控。

为了最大程度的抑制噪声影响，本发明第一实施例中，声源13、转台12， 待测传声器阵列11可放置在消声室或半消声室内。

其中，多通道综合声学分析仪14通过控制转台12偏转角度，可调整声源 入射方向与待测传声器阵列基准方向的夹角，实现声源入射方向在水平0°～360° 范围内入射。当然，在实际中，转台12也可采用3D转台，多通道综合声学分 析仪14通过控制3D转台，可实现声源入射方向在水平0°～360°范围内入射的 同时，又在俯仰0°～90°范围内入射。其中的待测传声器阵列基准方向为用户自 定义的0°方向，水平通常以北为0°。俯仰通常以水平为0°。也可以用户自定义。

本发明第二实施例提出了一种如前所述的宽带阵列流型的测算系统的测算 方法，如图2所示，包括以下步骤：

S11：多通道综合声学分析仪生成待测带宽信号和待测声源入射角度的序 列。其中，待测声源入射角度的序列是由需测算的不同待测声源入射角度 (α,β)构成。

进一步地，如图3所示，多通道综合声学分析仪生成待测带宽信号的步骤 又可包括以下步骤：

S111：多通道综合声学分析仪根据待测带宽，确定最低采样频率。例如， 若待测带宽为B_L～B_H，则确定最低采样频率f_s满足f_s>2B_H。

S112：多通道综合声学分析仪构造单频信号组。其中的单频信号组包括多 个单频信号，每一单频信号的频率不同且均为离散傅立叶变换的频率分辨率的 整数倍，即是说，单频信号的频率f_i满足：f_i＝kf_s/N,k＝0,1,...,N/2-1。

S113：多通道综合声学分析仪将单频信号组内各单频信号叠加，得到待测 带宽信号。

步骤S111至步骤S113的过程可由图4直观的表示，其中的W即为所构建 的待测带宽信号。

S12：多通道综合声学分析仪控制转台转动，以带动待测传声器阵列至当前 待测的声源入射角度，如(α₁,β₁)。

S13：多通道综合声学分析仪控制声源播放待测宽带信号至结束，采集播放 时间内待测传声器阵列输出的传声器阵列信号并存储，若非首次采集，则同时 根据前一声源入射角度下存储的传声器阵列信号、基于快速傅立叶变换获得对 应的阵列流型，若为首次采集，则本次不做处理而待下一次采集再基于本次采 集结果进行处理。

进一步地，如图5所示，根据前一声源入射角度下存储的传声器阵列信号、 基于快速傅立叶变换获得对应的阵列流型的步骤又可包括以下步骤：

S131：多通道综合声学分析仪对前一声源入射角度下存储的传声器阵列信 号中、各传声器通道的信号分别进行快速傅立叶变换并除以快速傅立叶变换的 序列点数，得到一中间矩阵。该中间矩阵包括了在前一声源入射角度下，每一 传声器通道在每一单频信号下的运算结果。

S132：多通道综合声学分析仪在中间矩阵中，取每一频率对应位置的数值， 得到在对应声源入射角度时的对应频率的阵列流型。

例如，位置k＝0,1,...,N/2-1的数值表示的是频率为f_i＝kf_s/N的单频信号 对应的阵列流型的参数。

步骤S131和步骤S132的过程可由图6直观的表示，其中的x_m(n)表示阵列 信号m通道的信号序列，表示复数取模后除以序列长度，arg(X_m(k))表 示取复数的相角。所以m通道频率f_i的阵列流型参数为或等价表示为 $\frac{\left|X_m\left(k\right)\right|}{N}\exp (j\times \arg \left(X_m\left(k\right)\right))..$

S14：多通道综合声学分析仪判断是否完成全部待测声源入射角度的测量， 是则结束，否则返回步骤S12，取待测声源入射角度的序列中的下一个待测声 源入射角度作为当前待测的声源入射角度。如此反复，直至完成待测声源入射 角度的序列中全部待测声源入射角度的测算为止。

本发明第三实施例提出了一种如前所述的宽带阵列流型的测算系统的测算 方法，与第二实施例不同的是，第三实施例在步骤S14之后，若多通道综合声 学分析仪判断完成全部待测声源入射角度的测量，则还包括了对阵列流型精度 进行测算的步骤。如图7所示，该对阵列流型精度进行测算的步骤又包括以下 步骤：

S15：多通道综合声学分析仪控制声源播放待测宽带信号，同时以10倍采 样率数据长度分析计算声压级频谱。

S16：多通道综合声学分析仪将声压级频谱中各频率信号的声压级减去近旁 噪声级作为对应频率的信噪比。

本发明第三实施例中，当在步骤S15中，单次采用10倍采样率数据长度进 行声压级频谱分析时，获得的声压级频谱的分辨率可以更小，达到0.1Hz。从 而可以在直观获得各频率信号的声压级大小的同时，获得每一频率信号的近旁 有微小频率差异的频率的声压级大小。然后将该近旁频率的噪声级，近似作为 对应频率信号频率处原有的噪声级。

S17：多通道综合声学分析仪检索预存的信噪比与参数测量误差关系图，得 到相应信噪比对应的阵列流型精度。该信噪比与参数测量误差关系图用以表明 信噪比、阵列流型中幅度估计的最大误差、阵列流型中相位角估计的最大误差 之间的对应关系，如图8所示。

综上所述，本发明提出的宽带阵列流型的测算系统及其测算方法通过构造 符合离散傅立叶变换的频率分辨率条件的多频带宽信号，对待测传声器阵列进 行测试，并基于快速傅立叶变换得到阵列流型。相对于现有有源类校正方式， 可极大缩短测算时间。以待测带宽为250-350Hz频段、频率间隔1Hz、声源入 射方向水平角度范围为0°～360°水平、步长2°、俯仰固定为0°的阵列流型为例， 当采样频率为4096Hz时，采用现有典型的源类校正方式需要有效数据时长5.05 小时，而采用本发明的宽带阵列流型的测算系统及其测算方法所需的有效数据 时长为0.05小时。另外，在得出阵列流型的基础上，还提出了一种对阵列流型 精度的测算方法，该方法通过长时间信号累积，改善声压级频谱的分辨率，从 而直接获得频率信号与临近频率噪声的强度，并将其近似作为信噪比，之后通 过索引信噪比与参数测量误差关系图，确定当此得到的阵列流型精度，经验证， 该方法对阵列流型的相位估计误差不超过0.5°、幅度估计误差不超过1％。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是 可以通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读 取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。