[发明专利]一种可调波束形成方法、电子设备及存储介质

说明书

本发明公开了一种可调波束形成方法，利用FIR子滤波器通道复加权系数的对称特性，将传统频域设计问题等价转换为新的降维设计问题，优化问题所得的结果为完全独立的复加权值，根据求出的完全独立的复加权值通过对称性关系快速复原得到全部复加权值，再经拟合得到时域抽头系数用于硬件实现；根据抽头系数的对称特性仅存储完全独立的抽头系数，并且简化硬件结构，减少乘法器次数，提升硬件效率。本发明在偶数麦克风个数的圆环形阵列多项式结构可调波束形成器设计下取得最大的改进效果，能够使得FIR滤波器抽头系数阶段问题维数大幅降低，优化速度显著加快；而在硬件实现上储存消耗更低，硬件消耗以及乘法器次数更少。

技术领域

本发明属于圆形麦克风阵列领域，具体涉及一种可调波束形成方法、电子设备及存储介质。

背景技术

在三维空间中，圆环形麦克风阵列在与阵列同平面的水平方向内具有一般线性阵列所不具备的360度全向空间分辨能力。多项式结构宽带波束形成器（见文献[1] Wang,T., Chen, H. Robust design of Farrow-structure-based steerable broadbandbeamformers with sparse tap weights via convex optimization. J AUDIO SPEECH MUSIC PROC. 2015, 14 (2015). https://doi.org/10.1186/s13636-015-0060-y）是一种基于多项式近似原理的在阵元后接多阶FIR子滤波器组的结构，它一经设计，便可以在不改变子滤波器组权值的情况下，根据一个调节因子便可实现任意可调范围内连续可调的功能。因此采用多项式结构，圆环形麦克风阵列宽带波束形成器便可实现指向角度在360度空间内连续可调的功能的功能。

宽带波束形成器设计中有多种设计方法可以选择，比较经典的是基于约束最小二乘法设计（见文献[2] E. Mabande, A. Schad and W. Kellermann, Design of robustsuperdirective beamformers as a convex optimization problem, 2009 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2009,pp. 77-80, doi: 10.1109/ICASSP.2009.4959524.），它通过施加一些对波束形状或者是阵列WNG等约束条件，令阵列实际响应和期望响应之间误差的平方和最小作为目标函数，这样的方法来设计。通常来说目标函数是凸问题，约束条件也是凸问题，于是便可以利用Matlab和CVX工具箱有效求解问题。然而多项式结构宽带波束形成器，由于阵元后接多个子滤波器，这将导致阵列规模较大，所需优化变量的维度较大，设计计算用时显著提升，同时硬件开销也几何倍增长，占用资源较多。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种可调波束形成方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种可调波束形成方法，包括以下步骤： 步骤1，对于一个确定的均匀圆环形麦克风阵列结构构建问题模型，选取参考坐标系；

步骤2，根据FIR子滤波器通道复加权系数的对称性对FIR子滤波器通道复加权系数求取问题进行降维设计；降维后利用最小二乘法求取完全独立的FIR子滤波器通道复加权系数；

步骤3，根据步骤2降维设计所得到的完全独立的FIR子滤波器通道复加权系数，通过对称性关系复原出全部的FIR子滤波器通道复加权系数；根据复原出的全部FIR子滤波器通道复加权系数，通过最小二乘法拟合获得全部的FIR子滤波器通道抽头系数；