联合宽带到达方向估计和语音特征增强的传声器阵处理方法

以提高室内混响环境下自动语音识别(ASR)性能为目标,讨论了一种小尺寸传声器阵处理方法.该方法采用基于旋转不变技术的信号参数估计算法(ESPRIT)计算宽带语音信号到达方向角,进行时延补偿;同时联合考虑阵列滤波与隐马尔可夫模型(HMM)识别过程,将识别输出结果反馈到前端的传声器阵处理,优化阵列滤波系数.与常规阵处理方法改善信号波形质量不同,本文通过调节阵列滤波系数降低待识别特征与训练模型之间的失配,直接提高识别过程中正确假设的概率.实验结果表明,上述方案能够有效降低会议室环境下孤立词有限词库ASR的错误概率,表现优于常规波束形成方法;采用全局优化进行阵列滤波设计,与局部优化算法相比,进一步改善了处理性能.     

传声器失配误差对差分传声器圆阵主瓣指向的影响特性

从理论上导出了传声器失配误差对适用于任意阵元数的一阶和二阶差分传声器圆阵的主瓣指向影响规律。揭示了传声器相位误差可造成一阶差分传声器圆阵主瓣指向产生反转现象,是影响其主瓣指向的主要因素。而对于二阶差分传声器圆阵,传声器相位误差和增益误差均可导致其主瓣指向产生反转现象和严重指向误差,进而造成阵列指向性因子严重下降,尤其在低频处失配误差的影响更为显著。然后给出了确保差分传声器圆阵主瓣指向正确时阵列设计参数所需满足的条件,并在此基础上进行了传声器失配误差的容差分析。分析结果表明,随着阵元数增多,失配误差的容差范围增大,差分传声器圆阵对传声器失配误差的敏感性相应降低。      

利用协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法

提出了一种协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法来提高小孔径均匀直线阵的分辨力。该方法分析了具有不同阵元个数的阵列采集信号协方差矩阵之间的关系,并根据该关系构建阵列扩展的优化算法,利用小孔径实际阵列协方差矩阵拟合得到大孔径虚拟阵列的协方差矩阵。仿真分析与湖试数据处理结果表明,将拟合协方差矩阵用于现有方位估计方法中能够降低波束宽度,提高分辨力,并且随着虚拟阵元个数增加,目标分辨概率同步提高。当阵列孔径较小或环境信噪比较低时,本文方法可用于提高方位估计性能。     

大孔径声全息密集阵列的阵元数量去冗余方法

大孔径密集声全息阵列是实现对非平稳噪声成像的有效手段,通过现场快速成像可以掌握声场分布的动态特征。增加声阵列的孔径和阵元密度是提高近场声全息成像性能的主要措施,但随着声阵列阵元数量的增加,声压采集数据量增大,全息运算速度降低,全息成像动态性能下降,不利于现场即时成像分析。研究表明,在一定信噪比条件下,盲目增加阵元数量并不一定能提高近场声全息性能,为此,本文针对密集声全息阵列的阵元数量冗余问题进行研究,提出最优阵元数量估算方法,并采取去冗余处理。本文仿真和实验验证表明:针对一定信噪比条件下的密集阵列去冗余方法实际有效,可以在不降低近场声全息成像性能的前提下,降低运算量,提高全息成像速度,对于非平稳噪声的现场声全息成像测试具有实用意义。     

基于双耳模型的倒谱系数在声目标识别中的应用

在声目标识别中,基于单路信号的特征提取算法难以保证特征在低信噪比条件下的鲁棒性。针对该问题,本文使用由两个传声器组成的小孔径阵列采集信号,采用Stereausis双耳听觉模型对两路信号进行综合处理,在此基础上设计了基于双耳模型的倒谱系数,并将其作为识别特征应用于多类地面目标识别。试验表明该特征可有效提高识别系统的识别性能和抗噪声能力。     

浅海大孔径时钟弱同步阵列的信道匹配阵形校准

浅海大孔径时钟弱同步阵列的阵形校准,受到时钟偏移与信道频散的不利影响,校准精度难以满足探测要求。利用浅海波导环境中仅激发一阶模态的低频段校准信号,使用基于波导参数计算的相速度开展信道匹配距离测量,并将时钟偏移作为未知参数纳入校准模型,结合声源与参考阵元的位置信息,从而消除频散效应和时钟偏移的不利影响,可实现浅海大孔径阵列阵元位置与时钟偏移的信道匹配联合校准。实验数据分析结果表明,该方法有效校准浅海大孔径时钟弱同步阵列的阵元位置和时钟偏移,较之基于时延估计的传统方法,所提方法校准后的15阵元860 m大孔径水平线阵列,对正横和端射方向附近15～30 Hz目标信号的测向精度分别提高了0.2°和0.4°,阵增益分别提高了1.8 dB和4.4 dB。     

自适应零限波束形成语音增强算法鲁棒性分析

分析了双传声器自适应零限波束形成语音增强算法对传声器不一致和本底噪声的鲁棒性。结果表明:信干比越高,算法对传声器不一致的鲁棒性越差;当信干比很低时,算法对相位不一致是鲁棒的。幅度不一致会降低算法对干扰的抑制能力,但引起的目标信号失真很小。相对于传声器不一致,本底噪声对算法性能的影响较小。对自适应滤波器权值加约束和对传声器做校准可以提高算法性能。     

单基地多输入多输出声呐的方位分辨力

为了研究波形分集和发射子阵对多输入多输出(multiple-input multiple-output:MIMO)声呐方位分辨力的影响,建立了同时适用于MIMO声呐和传统有源声呐的远场和近场波束图推导模型,证明了这两种声呐具有相同的方位分辨力。首先,将MIMO声呐发射阵划分为子阵无重合与子阵有重合两种情况,并对传统有源声呐的发射阵也进行相同的划分。据此,推导出两者的远场和近场阵列流型向量均可表示为发射与接收阵列流型向量的直积。接着,利用阵列流型向量的一致性证明了波束图(远场和近场)的一致性。进一步地,证明了发射子阵有重合的情况等效于对发射阵列进行幅度加权(发射阵列中间部分的阵元权值大于两端部分的阵元权值),其可获得更低的波束图旁瓣级但不能提高方位分辨力。理论分析与仿真结果表明:MIMO声呐的有效孔径等于发射与接收联合孔径,其方位分辨力由发射与接收阵列结构所决定,波形分集和发射子阵并未带来更高的方位分辨力。      

声矢量锥形阵的高阶累积量波达方向估计

为解决信源在较低信噪比情况下的测向分辨率问题,提出阵列可扩展的声矢量锥形阵测向算法。算法基于四阶累积量的阵列扩展和高斯噪声抑制特性,计算声矢量传声器不同输出分量的四阶累积量,使其在三维方向上扩展与原阵型结构相同的虚拟阵,从而构造包含角度信息的旋转不变矩阵进行测向。推导给出了算法的克拉美罗界,理论分析了算法性能受信噪比、采样快拍以及入射声源俯仰角的影响。仿真实验验证了该算法较常规声矢量阵ESPRIT算法有更优的噪声抑制能力及更高分辨的DOA估计性能。      

吸顶式传声器阵列阵元坐标标定方法

提出了一种吸顶式传声器阵列阵元坐标的标定方法。针对在混响声场中,时延估计算法性能严重下降从而导致在标定传声器阵元坐标时产生较大误差的问题,提出了利用脉冲声源作为标定声源,并且截取脉冲源直达声的方法来抑制混响声场的影响,提高传声器阵元坐标标定的精度。建立了阵元坐标标定的误差分析模型,并以白噪声和脉冲声源作为标定声源进行数据仿真和对比分析。仿真结果表明,使用脉冲声源作为标定声源能有效地抑制混响声场的影响,获得传声器阵列阵元的准确坐标。同时,在封闭的房间内建立起孔径为3.5 m、64阵元的螺旋状吸顶传声器阵列进行了实验研究,实验结果验证了本文提出方法的有效性。