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面向语音通信与交互的麦克风阵列波束形成方法 被引量:21
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作者 潘超 黄公平 陈景东 《信号处理》 CSCD 北大核心 2020年第6期804-815,共12页
临境语音通信与智能语音交互都面临复杂声学环境中的远距离高保真拾音难题,解决这一难题的有效途径是使用由多个麦克风传感器组成的麦克风阵列或多通道拾音系统,这种系统的核心是信号处理,通过对空间采样的声场信息进行时、空、频三域... 临境语音通信与智能语音交互都面临复杂声学环境中的远距离高保真拾音难题,解决这一难题的有效途径是使用由多个麦克风传感器组成的麦克风阵列或多通道拾音系统,这种系统的核心是信号处理,通过对空间采样的声场信息进行时、空、频三域的联合处理来实现声源定向/定位、信号增强、噪声抑制、混响抑制、声源分离、声场参数估计等功能。麦克风阵列信号处理的方法有很多,其中研究的最多、使用得最广的方法是波束形成。本文对麦克风阵列波束形成的原理、进展以及当前常用的方法进行简要综述,内容涵盖延迟求和、超指向、差分、正交级数展开、Kronecker和自适应波束形成方法。论文侧重于方法原理、机理和架构方面的探讨,具体的算法实现细节感兴趣的读者可以参考相应的文献。 展开更多
关键词 麦克风阵列 频不变波束形成 超指向波束形成 差分波束形成 Kronecker波束形成 自适应波束形成
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Wideband Beamforming for Multipath Signals Based on Frequency Invariant Transformation 被引量:5
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作者 Wei Liu Communications Research Group,Department of Electronic & Electrical Engineering,University of Sheffield,Sheffield,S1 3JD,UK 《International Journal of Automation and computing》 EI 2012年第4期420-428,共9页
It is well known that the performance of conventional adaptive beamformers degrades severely due to the presence of coherent or correlated interferences(multipath propagation) and various techniques have been develope... It is well known that the performance of conventional adaptive beamformers degrades severely due to the presence of coherent or correlated interferences(multipath propagation) and various techniques have been developed to improve the performance of the beamformer.However,most of the work in the past has been focused on the narrowband case.In this paper,the wideband beamforming problem in the presence of multipath signals is addressed,with a novel approach proposed by employing a pre-processing stage based on the frequency invariant beamforming(FIB) technique.In this approach,the received wideband array signals are first processed by an FIB network,and then a traditional narrowband adaptive beamformer or an appropriate instantaneous blind source separation(BSS) algorithm can be applied to the network outputs.It is shown that with the proposed structure,cancellation of the desired signal is reduced,leading to a significantly improved output signal to interference plus noise ratio(SINR). 展开更多
关键词 Wideband beamforming multipath signals frequency invariant beamforming blind beamforming convolutive mixtures.
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非均匀傅里叶变换频率不变波束形成方法 被引量:4
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作者 王冬霞 周城旭 +1 位作者 韩颖 孙福明 《信号处理》 CSCD 北大核心 2013年第6期691-696,共6页
频率不变波束形成是宽带阵列信号处理研究的重要内容之一。本文以麦克风阵列语音处理为研究对象,针对FIB低频处波束形成一致性不理想的问题,提出了一种基于非均匀傅里叶变换的频率不变波束形成方法。该方法采用非均匀采样来增加低频处... 频率不变波束形成是宽带阵列信号处理研究的重要内容之一。本文以麦克风阵列语音处理为研究对象,针对FIB低频处波束形成一致性不理想的问题,提出了一种基于非均匀傅里叶变换的频率不变波束形成方法。该方法采用非均匀采样来增加低频处的采样点数,构建符合非均匀傅里叶逆变换的范德蒙矩阵,再用优化对称窗函数对变换结果进行截取,得到空时滤波器。该方法不仅实现了低频段与期望波束响应近似的波束图,且降低了阵元数目。计算机仿真实验结果验证了该方法的有效性。 展开更多
关键词 频率不变波束形成 麦克风阵列 非均匀傅里叶变换 波束响应 空时滤波
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基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法 被引量:4
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作者 郭业才 张宁 +1 位作者 吴礼福 孙心宇 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第17期172-180,共9页
为了解决麦克风阵列通道失配时波束形成算法的稳健性问题,提出一种基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法.该算法在分析无通道失配和通道失配时阵列模型特点基础上,深入研究了通道失配时约束最小二乘频率... 为了解决麦克风阵列通道失配时波束形成算法的稳健性问题,提出一种基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法.该算法在分析无通道失配和通道失配时阵列模型特点基础上,深入研究了通道失配时约束最小二乘频率不变波束形成算法存在的问题及其产生的原因;将麦克风特性的概率密度函数作为稳健因子加入到约束最小二乘频率不变波束形成算法后,其频率不变性的稳健性得到了一定的提高,但稳健性仍较差.为了进一步提高约束最小二乘法频率不变波束形成算法的稳键性,通过定义代价函数中控制频率不变性的动态加权系数来调节旁瓣频谱能量,大大提高了频率不变波束形成算法的稳键性,将频率不变的频带范围内同一到达角度上不同频率所形成的阵列响应的最大值与最小值之比定义为波动误差,并作为比较本文算法与约束最小二乘稳健波束形成算法和minmax稳健波束形成算法在通道失配时频率不变性稳键性的评价指标.算法实例验证结果表明,在麦克风阵列通道失配时,本文算法的波动误差最小、频率不变波束形成稳健性最好,而且适用于任意结构的阵列. 展开更多
关键词 稳健波束形成 频率不变性 约束最小二乘法 麦克风阵列
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基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法 被引量:2
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作者 郭业才 何川 +2 位作者 陈小燕 张铭 王丽华 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 CAS 2016年第1期34-40,共7页
针对实际环境中因麦克风阵列失配误差导致宽带波束形成器性能下降的问题,提出基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法.该算法首先在线性约束最小方差准则的基础上,结合空间响应偏差函数,并对波束形成器权矢量的二范数... 针对实际环境中因麦克风阵列失配误差导致宽带波束形成器性能下降的问题,提出基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法.该算法首先在线性约束最小方差准则的基础上,结合空间响应偏差函数,并对波束形成器权矢量的二范数施加不等式约束,再通过拉格朗日乘子法和凸优化工具箱CVX(Con Ve X)分别在不等约束条件下求得权矢量的解析解和全局最佳解,以有效解决麦克风的增益、相位和位置等的不确定性造成的失配误差问题,提高频率不变波束器的稳健性.仿真结果表明:采用拉格朗日乘子法求解该算法的最优权矢量所得到的波束形成器对失配误差最不敏感,性能最稳健. 展开更多
关键词 麦克风阵列 线性约束方差 凸优化 频率不变波束形成 对角加载
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频率不变宽带波束形成权重系数的稀疏优化 被引量:1
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作者 张书瑞 马晓峰 +1 位作者 盛卫星 韩玉兵 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期274-282,共9页
在基本的傅里叶变换频率不变波束形成(FIB)基础上,从减少抽头权重系数数量,降低FIB运算量角度出发,提出基于最小l0范数的抽头权重系数稀疏优化模型,并采用正交匹配追踪(OMP)算法来求解该优化问题。在高增益、等波纹、低旁瓣FIB方向图的... 在基本的傅里叶变换频率不变波束形成(FIB)基础上,从减少抽头权重系数数量,降低FIB运算量角度出发,提出基于最小l0范数的抽头权重系数稀疏优化模型,并采用正交匹配追踪(OMP)算法来求解该优化问题。在高增益、等波纹、低旁瓣FIB方向图的要求下,所提出的优化方法使得稀疏率降低到3.53%,且能够保证稀疏优化后的方向图误差小于1%。接着进一步开展阵元数量的稀疏优化,有效地减少了阵元通道数,进一步降低了算法实现的硬件复杂度。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。 展开更多
关键词 相控阵 宽带信号处理 频率不变波束形成 稀疏优化 低复杂度
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零陷可控的低旁瓣频率不变宽带波束形成 被引量:3
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作者 张书瑞 马晓峰 +2 位作者 盛卫星 韩玉兵 张仁李 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2016年第6期1243-1249,共7页
在基本的傅里叶变换频率不变波束形成器(frequency invariant beamforming,FIB)的基础上,提出了快速可控零陷低旁瓣宽带FIB优化方法,该方法将固定角度方向图零陷约束和等波纹原型滤波器加入FIB的设计,实现了零陷可控的低旁瓣FIB。同时,... 在基本的傅里叶变换频率不变波束形成器(frequency invariant beamforming,FIB)的基础上,提出了快速可控零陷低旁瓣宽带FIB优化方法,该方法将固定角度方向图零陷约束和等波纹原型滤波器加入FIB的设计,实现了零陷可控的低旁瓣FIB。同时,还开展了FIB抽头系数的稀疏优化,有效的降低了算法实现的运算量。仿真结果验证了所提的方法在一维均匀线阵和二维均匀面阵上的正确性和有效性。 展开更多
关键词 频率不变波束形成 宽带波束形成 抗干扰零陷 低旁瓣
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一种基于SOCP和IFT的频率-方向不变波束形成方法 被引量:2
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作者 廖峰乙 何培宇 +1 位作者 崔敖 徐自立 《成都信息工程大学学报》 2017年第2期122-127,共6页
常规波束形成中主瓣宽度随频率和方向(方位角和俯仰角)变化,进而影响阵列分辨率及波束形成器的整体性能。为实现频率-方向不变波束形成,提高波束形成可靠性,基于约束优化的思想,提出一种基于二阶锥规划(second order cone programming,S... 常规波束形成中主瓣宽度随频率和方向(方位角和俯仰角)变化,进而影响阵列分辨率及波束形成器的整体性能。为实现频率-方向不变波束形成,提高波束形成可靠性,基于约束优化的思想,提出一种基于二阶锥规划(second order cone programming,SOCP)和傅里叶逆变换(Inverse Fourier Transform,IFT)的宽带频率-方向不变恒定束宽波束形成方法。方法以均匀矩形平面阵为模型,首先采用SOCP波束优化设计方法得到参考波束,再基于IFT设计出参考方向上的频率不变恒定主瓣波束,最后基于提出的SOCP二维方向不变波束形成新方法实现不同频点上的方向不变恒定主瓣波束。经仿真分析,方法设计的波束在数字频率π/2~π、不同方位角及俯仰角指向15°~50°上均具有束宽较恒定的波束,与基于线阵的恒定束宽波束形成方法相比,提高了波束形成器在实际空间中的可靠性,具有一定的相关工程应用参考价值。 展开更多
关键词 频率-方向不变波束形成 恒定束宽 二阶锥规划 傅里叶逆变换
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基于子带SDL的宽带抗干扰恒定束宽波束形成 被引量:1
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作者 陈晖 刘成城 +1 位作者 李冬海 汪婉秋 《信息工程大学学报》 2013年第3期312-319,共8页
针对宽带恒定束宽波束形成通常需要大量阵元或延迟线所带来的硬件开销较大,并且抗干扰效果较差的问题,提出一种基于子带阵元延迟线(SDL)的宽带抗干扰恒定束宽波束形成算法。该算法通过建立子带SDL模型,利用子带滤波器组将阵元接收信号... 针对宽带恒定束宽波束形成通常需要大量阵元或延迟线所带来的硬件开销较大,并且抗干扰效果较差的问题,提出一种基于子带阵元延迟线(SDL)的宽带抗干扰恒定束宽波束形成算法。该算法通过建立子带SDL模型,利用子带滤波器组将阵元接收信号进行分解与重构,基于约束最小二乘算法进行子带抗干扰恒定束宽波束形成,并将滤波器组的冲击响应直接作为优化参量,可有效降低分解与重构产生的误差。为了衡量阵列响应的波动程度,提出归一化波动程度的概念。仿真结果表明,子带波束形成器具有比全带波束形成器更好的频率不变性和抗干扰能力,而且可以大大降低硬件开销。 展开更多
关键词 宽带恒定束宽 子带滤波器组 阵元延迟线 约束最小二乘 归一化波动程度
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数字宽带波束形成的仿真与验证 被引量:1
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作者 刘子龙 丁淑娟 +1 位作者 孙广俊 张曙光 《中国电子科学研究院学报》 2011年第4期375-378,385,共5页
提出了宽带恒定束宽响应数字波束形成的整个流程和方法,通过运用数字延时线和Farrow分数延时滤波器相结合的技术对来波信号进行精确的预延时,运用空间重采样法对不同阵元宽带信号各离散频点的加权系数进行了求解,并根据这些加权系数构... 提出了宽带恒定束宽响应数字波束形成的整个流程和方法,通过运用数字延时线和Farrow分数延时滤波器相结合的技术对来波信号进行精确的预延时,运用空间重采样法对不同阵元宽带信号各离散频点的加权系数进行了求解,并根据这些加权系数构建了线性相位FIR滤波器来实现该波束形成算法。仿真和分析结果表明整套设计方法正确、实用、有效。 展开更多
关键词 宽带恒定束宽响应波束形成 分数延时滤波器 空间重采样法
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基于抽头稀疏化的最小二乘频率不变波束形成器设计 被引量:5
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作者 陈华伟 王天南 +1 位作者 张峰 何赛娟 《数据采集与处理》 CSCD 北大核心 2014年第2期191-197,共7页
频率不变波束形成器(Frequency-invariant beamformer,FIB)在宽带声信号的无失真采集和处理中具有重要应用。基于空间响应变化函数的最小二乘方法是近年来FIB设计中的代表性方法,本文研究表明该方法的性能受频率不变波束形成(Finite imp... 频率不变波束形成器(Frequency-invariant beamformer,FIB)在宽带声信号的无失真采集和处理中具有重要应用。基于空间响应变化函数的最小二乘方法是近年来FIB设计中的代表性方法,本文研究表明该方法的性能受频率不变波束形成(Finite impulse response,FIR)滤波器抽头长度的影响,增大抽头的长度可有效提高FIB设计的性能。但随滤波器抽头长度的增大,波束形成器的实现复杂度亦变大。针对这一问题,本文提出了一种基于FIR滤波器抽头稀疏化的最小二乘FIB设计方法,利用信号稀疏表示理论中的迭代加权l1范数优化实现了低复杂度最小二乘FIB设计,并通过设计实例验证了所提方法的有效性。 展开更多
关键词 频率不变波束形成 抽头稀疏化 l1范数优化 最小二乘
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宽带平面阵基于空间响应偏差约束的优化波束设计 被引量:1
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作者 陈鹏 郝拥军 +3 位作者 王薇 廉成斌 张亚龙 鲍轩 《舰船科学技术》 北大核心 2022年第20期60-66,共7页
针对具有节拍延迟线TDL(tapped delay line)结构和复数加权系数的宽带平面阵,提出基于空间响应偏差SRV(spatial response variation)约束的非自适应和自适应频率不变波束形成器FIB(frequency invariant beamformer)设计方法。非自适应FI... 针对具有节拍延迟线TDL(tapped delay line)结构和复数加权系数的宽带平面阵,提出基于空间响应偏差SRV(spatial response variation)约束的非自适应和自适应频率不变波束形成器FIB(frequency invariant beamformer)设计方法。非自适应FIB根据在参考频率点上主瓣方向无偏响应约束、加权系数向量范数约束以及平均空间响应偏差幅度约束这3个条件下最小化在参考频率点上波束图旁瓣级的准则进行设计。自适应FIB根据在参考频率点上预测信号方向无偏响应约束、在参考频率点上旁瓣区域旁瓣级约束以及平均空间响应偏差幅度约束这3个条件下最小化波束形成器输出功率的准则进行设计。通过将这2种FIB设计问题转化为标准二阶锥规划SOCP(second order cone programming)形式后,可以采用内点方法对其进行有效求解。仿真结果验证了本文方法对于宽带平面阵非自适应FIB和自适应FIB设计的有效性。 展开更多
关键词 宽带平面阵 节拍延迟线 频率不变波束形成器 空间响应偏差 二阶锥规划
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SRV constraint based FIB design for wideband linear array 被引量:3
13
作者 Peng Chen Yihui Liang +2 位作者 Chaohuan Hou Xiaochuan Ma Dapeng Liu 《Journal of Systems Engineering and Electronics》 SCIE EI CSCD 2010年第6期941-947,共7页
Frequency-invariant beamformer (FIB) design is a key issue in wideband array signal processing. To use commonly wideband linear array with tapped delay line (TDL) structure and complex weights, the FIB design is p... Frequency-invariant beamformer (FIB) design is a key issue in wideband array signal processing. To use commonly wideband linear array with tapped delay line (TDL) structure and complex weights, the FIB design is provided according to the rule of minimizing the sidelobe level of the beampattern at the reference frequency while keeping the distortionless response constraint in the mainlobe direction at the reference frequency, the norm constraint of the weight vector and the amplitude constraint of the averaged spatial response variation (SRV). This kind of beamformer design problem can be solved with the interior-point method after being converted to the form of standard second order cone programming (SOCP). The computer simulations are presented which illustrate the effectiveness of our FIB design method for the wideband linear array with TDL structure and complex weights. 展开更多
关键词 tapped delay line (TDL) wideband linear array frequency invariant beamformer (FIB) spatial response variation (SRV) second order cone programming (SOCP).
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基于凸优化的频率方向二维恒定束宽波束形成技术 被引量:3
14
作者 张文刚 王杰贵 樊甫华 《电子信息对抗技术》 2012年第6期67-72,共6页
针对传统波束的主瓣宽度会随波束指向和信号频率不同而变化,提出了一种基于凸优化的频率方向二维恒定束宽波束形成算法。该算法先采用非线性约束优化实现参考频点的方向不变恒定束宽,然后针对频带内各子带中心频率在每个指向上采用二阶... 针对传统波束的主瓣宽度会随波束指向和信号频率不同而变化,提出了一种基于凸优化的频率方向二维恒定束宽波束形成算法。该算法先采用非线性约束优化实现参考频点的方向不变恒定束宽,然后针对频带内各子带中心频率在每个指向上采用二阶锥约束,实现频率方向的二维恒定束宽。仿真结果表明,该算法能够在主波束指向±40°范围内有效地形成方向不变恒定束宽,同时在每个主波束指向上得到良好的频率不变恒定束宽波束图。 展开更多
关键词 波束形成 频率方向二维恒定束宽 凸优化 主瓣控制
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宽带MIMO雷达频率不变发射方向图快速综合方法
15
作者 杨涛 苏涛 +1 位作者 张旺 朱文涛 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2013年第3期499-503,共5页
多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达的波形分集能力带来了灵活的发射波束方向图设计方法。针对均匀线阵提出了一种基于频率不变波束形成法快速综合宽带MIMO雷达发射方向图的方法,该方法利用频率不变波束形成法求解... 多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达的波形分集能力带来了灵活的发射波束方向图设计方法。针对均匀线阵提出了一种基于频率不变波束形成法快速综合宽带MIMO雷达发射方向图的方法,该方法利用频率不变波束形成法求解宽带MIMO雷达发射波形的频谱,采用交替矩阵匹配法设计恒模的发射波形。与基于两级迭代的宽带方向图综合方法(wideband beampattern formation via iterative techniques,WBFIT)相比,该方法无需矩阵求逆且迭代次数明显减少,大大降低了计算复杂度。计算机仿真结果表明,该方法具有与WBFIT法相近的宽带方向图综合性能,计算时间只有WBFIT方法的10%左右。 展开更多
关键词 多输入多输出雷达 发射方向图综合 宽带 频率不变波束形成
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