基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法

摘要

基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，包括以下步骤：由N个阵元组成的麦克风阵列接收空间远场声源信号，获取麦克风阵列的采样数据；获取声源信号到达麦克风阵列各阵元的到达时延差；构造麦克风阵列的距离差矢量；构造麦克风阵列的位置矩阵；判断麦克风阵列的阵元是否位于同一平面，如果是则采用最小二乘方法计算声源信号的二维方向矢量，从而得到声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值；否则采用约束最小二乘方法计算声源信号的单位方向矢量估计值，从而得到声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值。本发明将声源信号的到达角求解转化为求解相应的方向矢量，解决了宽带声源信号的角度估计问题，降低了角度估计的难度，并提高了角度估计的精确性。

主权项

基于最小二乘法的麦克风阵列测向方法，其特征在于，包括以下步骤：由N个阵元组成的麦克风阵列接收空间远场声源信号，N≥3，步骤一、获取麦克风阵列的采样数据；步骤二、获取声源信号到达麦克风阵列各阵元的到达时延差；步骤三、构造麦克风阵列的距离差矢量r；麦克风阵列的距离差矢量r＝[Δr₂,…,Δr_i,…,Δr_N]^T，其中，Δr_i＝cτ_i为声源信号到达麦克风阵列第i个阵元的距离差，τ_i为声源信号到达第i个阵元的到达时延差，c为声音传播速度，i＝2,…,N；步骤四、构造麦克风阵列的位置矩阵A；其中，x_n、y_n、z_n为第n个阵元的位置坐标，n＝1,…,N；声源信号的单位方向矢量声源信号的单位方向矢量与距离差矢量之间的关系为：AΘ＝r，其中，θ为声源信号的方位角，为声源信号的俯仰角，[·]^T表示转置操作；步骤五、判断麦克风阵列的阵元是否位于同一平面，如果是则执行步骤六，否则执行步骤七；步骤六、采用最小二乘法计算声源信号的二维方向矢量，从而得到声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值；麦克风阵列的阵元位于同一平面时，位置矩阵A和声源信号的单位方向矢量Θ分别退化为二维位置矩阵A₂和二维方向矢量Θ₂，根据计算声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值$\hat{\theta }=a\tan \left(\frac{{\mu }_2}{{\mu }_1}\right),$式中的μ₁为二维方向矢量Θ₂的第一项元素，μ₂为二维方向矢量Θ₂的第二项元素；步骤七、采用约束最小二乘法计算声源信号的单位方向矢量估计值从而得到声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值；根据计算声源信号的方位角估计值和俯仰角估计值式中的μ₁为单位方向矢量估计值的第一项元素，μ₂为单位方向矢量估计值的第二项元素，μ₃为单位方向矢量估计值的第三项元素，I为单位矩阵，λ为估计参数。