差分定向传感器系统的制作方法

差分定向传感器系统


背景技术：

1.随着信号传感和处理技术的出现，全向传感器和全向传感器阵列(即全向传感器阵列)被开发并应用于各种技术领域。全向传感器或全向传感器阵列被配置为接收和检测来自所有方向的信号，并且因此不需要被机械地旋转以定期地指向不同的方向。全向传感器的示例可以包括全向麦克风、全向摄像机、全向无线电天线等。
2.然而，由于这种全向特性，现有的全向传感器和全向传感器阵列存在许多固有问题。以全向麦克风/全向麦克风阵列为例。由于全向传感器/全向传感器阵列可以拾取来自所有方向的信号，因此全向传感器/全向传感器阵列也可能接收到不必要的信号。尽管已经提出了一些算法以过滤这些不需要的信号，但是现有的全向传感器阵列仍然存在一定的问题。例如，现有的全向麦克风阵列在低频时遭受到低白噪声增益(wng)的影响，而在高频时遭受方向性指数(方向性特征的度量)下降的影响。此外，现有的全向传感器阵列的阵列性能不足以满足某些特定指标(例如阵列增益)。


技术实现要素：

3.该内容介绍了差分定向传感器系统的简化概念，其将在下面的详细说明中进一步介绍。该发明内容不旨在识别所要求保护的主题的基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
4.本技术描述了差分定向传感器系统的实施方式示例。在实施中，获得由布置在特定构型中的多个定向传感器接收的输入信号。然后，可以将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带。在实施中，可以将预定权重组应用于频域中的相应频带，以获得组合频带，然后可以将组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。
附图说明
5.详细说明参照附图。在附图中，参考编号最左边的数字标识参考编号首先出现的图形。在不同的图中使用相同的参考编号，表示项目相似或相同。
6.图1示出了可以使用差分定向传感器系统的示例环境。
7.图2更详细地示出了差分定向传感器系统的示例。
8.图3示出了使用示例性差分定向传感器系统的信号处理示例方法。
9.图4a-4f举例说明了定向传感器的几何构型示例。
10.图5示出了定向麦克风的圆形配置示例。
11.图6a-6f示出了cddma和使用全向麦克风的圆形差分麦克风阵列(cdma)之间的两种不同设计的波束模式的比较。
12.图7a和7b示出了cddma和cdma在wng和di方面的比较。
具体实施方式
概述
13.如上所述，现有的全向传感器和全向传感器阵列虽然允许在所有方向上进行信号检测，但存在许多固有问题，这些问题可能严重影响全向传感器和全向传感器阵列的用途，从而限制了这些全方位传感器和全方位传感器阵列的实际应用。
14.本技术描述了一个差分定向传感器系统的示例。差分定向传感器系统可以包括以特定几何构造布置的多个方向(例如，单向)传感器。特定几何构造可以是二维或三维的，例如，其取决于差分定向传感器系统的相应应用或用途。在实施中，所述几何构造可以由例如具有共同中心的若干个圆或具有不同中心的若干组圆形成，其中，每组圆具有相同的中心。
15.在实施中，所述差分定向传感器系统还可以包括一个或多个处理器，其被配置为控制、协调和处理由多个定向传感器接收的信号，以产生输出信号。
16.在实施中，所述差分定向传感器系统可以获得由多个定向传感器接收的输入信号，并将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带。在实施中，所述差分定向传感器系统可以将预定权重组应用于频域中的各个频带，以获得组合频带，并且将所述组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。
17.在实现中，所述差分定向传感器系统可以存储预定权重组的集合，或者可以访问存储在外围设备或远程设备中的预定权重组的集合。每各预定权重组(每组预定权重)可以使所述差分定向传感器系统相对于特定几何构型中的特定点(例如，公共中心)、优先地对来自特定首选或期望方向的多个定向传感器所接收的信号进行加权或强调。在这种情况下，所述差分定向传感器系统可以从预定权重组的集合中选择一组预定权重，并将该组预定权重应用到相应频带上，以获得组合频带。换句话说，通过选择一组不同的预定权重(例如，一组特定偏好或期望方向的预定权重)，所述差分定向传感器系统可以以电子方式调整所述多个定向传感器，以接收来自首选或期望方向的信号，而无需机械地移动多个定向传感器和/或差分定向传感器系统的任何物理部分。
18.在实施中，所述差分定向传感器系统可以估计或确定期望或某些信号起源或来源的方向。作为示例而非限制，所述差分定向传感器系统可以确定由多个定向传感器接收的期望信号或某些信号的相应信号强度。基于定向传感器的方向属性和定向传感器的几何构型，所述差分定向传感器系统可以估计或确定期望的或特定信号的来源或起源的方向，例如，基于所检测到的期望的或特定信号的信号强度，对这样的一个或多个定向传感器的方向进行加权平均。
19.此外，考虑到定向传感器的使用，所述差分定向传感器系统可以使用定向传感器的定向特性，轻松过滤除来自期望方向的信号之外的其他方向的不需要的信号。
20.在实施中，本技术描述的由差分定向传感器系统执行的功能可以由多个单独的单元或服务执行。例如，采集服务可以获得由所述多个定向传感器接收的输入信号，而变换服务可以将输入信号从时域转换到频域，以获得相应的频带。组合服务可以将一组预定权重应用于频域中的相应频带，以获得组合频带，并且变换服务可以将组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。在实施中，选择服务可以从预定权重的集合中选择预定权重组，并且将该预定权重组提供给组合服务，以应用于对应频带，从而获得所述组合频带。
21.此外，尽管在本技术所描述的示例中，所述差分定向传感器系统可以被实现为安装在单个设备中的软件和硬件的组合，但在其他示例中，所述差分定向传感器系统可以被实现和分布在多个设备中，或者作为在一个或多个计算设备中通过网络和/或在云计算架
构中提供的服务来实现和分布。
22.本技术描述了多个不同的实施例和实现方式。如下部分描述了一个示例框架，该框架适用于实践各种实施方式。接下来，本技术描述用于实现差分定向传感器系统的示例系统、设备和过程。示例性环境
23.图1示出了可用于实现差分定向传感器系统的示例环境100。所述环境100可以包括差分定向传感器系统102。在该示例中，所述差分定向传感器系统102被描述为作为单独的实体或装置存在。在某些情况下，所述差分定向传感器系统102可以包含在计算设备中，诸如客户端设备104。在其他情况下，所述差分定向传感器系统102可以包含在一个或多个服务器中，例如在云中的一个或多个服务器106。例如，差分定向传感器系统102的部分或全部功能可以包括在客户端设备104中或由客户端设备104和/或一个或多个服务器106提供，这些服务器通过网络108连接和通信。
24.在实施中，环境100还可以包括一组或多组定向传感器110，每组中对应的定向传感器以各自的几何构型进行布置。在实施中，一组或多组定向传感器110中的部分或全部可以是差分定向传感器系统102的外围设备，并且在实施中经由本地连接和/或短程通信(例如电缆/电线、蓝牙、红外线、wifi等)与所述差分定向传感器系统102通信数据。在实施中，一组或多组定向传感器110中的部分或全部可以远离差分定向传感器系统102，并通过网络(诸如网络108)与差分定向传感器系统102通信数据。
25.在实现中，客户端设备104可以被实现为各种计算设备中的任何一种，包括但不限于台式计算机、笔记本或便携式计算机、手持设备、上网本、互联网设备、平板或平板计算机。移动设备(例如，移动电话、个人数字助理、智能电话等)、服务器计算机等或其组合。
26.网络108可以是无线或有线网络，或其组合。网络108可以是彼此互连并且用作单个大型网络(例如，因特网或内联网)的单独网络的集合。这种单独网络的示例包括但不限于电话网络、有线网络、局域网(lan)、广域网(wan)和城域网(man)。此外，各个网络可以是无线或有线网络，或其组合。有线网络可以包括电载波连接(诸如通信电缆等)和/或光载波或连接(诸如光纤连接等)。无线网络可以包括例如wifi网络、其他射频网络(例如，zigbee等)等。
27.在实施中，差分定向传感器系统102可以从一组或多组定向传感器110中的某一组定向传感器获得输入信号，并将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带。差分定向传感器系统102然后可以将预定权重组应用于频域中的相应频带，以获得组合频带，并且将所述组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。差分定向传感器系统示例
28.图2更详细地示出了差分定向传感器系统102。在实施中，差分定向传感器系统102可以包括但不限于一个或多个处理器202、存储器204和程序数据206。在实施中，差分定向传感器系统102还可以包括输入/输出(i/o)接口208和/或网络接口210。在实施中，差分定向传感器系统102的一些功能可以使用硬件来实现，例如，asic(即，专用集成电路)、fpga(即，现场可编程门阵列)和/或其他硬件。
29.在实施中，差分定向传感器系统102还可以包括以特定几何构型布置的多个定向(例如，单向)传感器212。尽管在该示例中，差分定向传感器系统102被描述为包括多个定向
传感器，但在某些情况下，多个定向(例如，单向)传感器212可能不包含在所述差分定向传感器系统102中，并且其可以通过网络(诸如网络108)访问差分定向传感器系统102，或者作为辅助或外围设备或部件被提供给差分定向传感器系统102。在一些情况下，差分定向传感器系统102可以包括多组定向传感器或与多组定向传感器相关联(例如，外围或远程连接)，其中，每组中对应的定向传感器以相应的几何构型进行布置。所述多组定向传感器的类型可以相同，也可以不同。在实施中，根据待检测或感测的信号的类型，定向传感器可以包括但不限于定向麦克风、定向光传感器、定向天线(诸如定向无线电天线)、定向卫星天线或天线等。
30.在实施中，一个或多个处理器202可以被配置为执行存储在存储器204和/或从输入/输出接口208和/或网络接口210接收的指令。在实施中，一个或多个处理器202可以被实现为一个或多个硬件处理器，包括例如微处理器、专用指令集处理器、物理处理单元(ppu)、中央处理单元(cpu)、图形处理单元、数字信号处理器、张量处理单元等。另外，本技术描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件来执行。例如，但不限于，可以使用的硬件逻辑组件的示例性类型包括现场可编程门阵列(fpgas)、专用集成电路(asics)、专用标准产品(assps)、片上系统(socs)、复杂可编程逻辑器件(cplds)等。
31.存储器204可以包括易失性存储器形式的处理器可读介质，例如随机存取存储器(ram)和/或非易失性存储器，例如只读存储器(rom)或闪存ram。存储器204是处理器可读介质的示例。
32.处理器可读介质可以包括易失性或非易失性类型、可移动或不可移动介质，其可以使用任何方法或技术实现信息的存储。所述信息可以包括处理器可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。处理器可读介质的示例包括但不限于相变存储器(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其它类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电子可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快速闪存或其他内部存储技术、光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、盒式磁带、磁盘存储或其他磁存储设备、或可用于存储可由计算设备访问的信息的任何其他非传输介质。如本文所定义的，处理器可读介质不包括任何瞬态介质，诸如调制数据信号和载波。
33.尽管在该示例中，在差分定向传感器系统102中仅描述了硬件组件，但在其他情况下，差分定向传感器系统102还可以包括其他硬件组件和/或其他软件组件，诸如程序单元，以执行存储在存储器204中的用于执行各种操作的指令，诸如处理、确定、分配、存储等。在实施中，差分定向传感器系统102还可以包括权重数据库214，其被配置为存储预定权重的集合。每组预定权重可以使差分定向传感器系统102相对于特定几何构型中的特定点(例如，公共中心)、优先加权或强调由多个定向传感器208从特定优选或期望方向接收的信号。方法示例
34.图3示出了描述使用示例差分定向传感器系统的信号处理的示例方法的示意图。图3的方法可以(但不需要)在图1的环境中实现，并使用图2的系统。为了便于说明，方法300参照图1和图2进行描述。然而，方法300也可替代地在其他环境中和/或使用其他系统实现。
35.在计算机可执行指令的一般环境中描述了方法300。通常，计算机可执行指令可以包括执行特定功能或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、过程、模块、功能等。此外，每个示例方法被示出为逻辑流程图中的块集合，所述逻辑流程图表示可
以以硬件、软件、固件或其组合实现的操作序列。描述该方法的顺序不旨在被解释为限制，并且可以以任何顺序组合任何数量的所描述的方法块，以实现该方法或替代方法。另外，在不脱离本技术所描述主题的精神和范围的情况下，可以从所述方法中省略各个框。在软件的上下文中，所述块表示当由一个或多个处理器执行时执行所述操作的计算机指令。在硬件环境中，部分块或全部块可以表示执行所述操作的专用集成电路(asics)或其他物理组件。
36.参考图3所示，在框302处，差分定向传感器系统102可以获得或收集由多个定向传感器接收的输入信号，所述多个定向传感器以特定几何构型进行布置。
37.在实施中，所述多个定向传感器可以检测和接收输入信号，并且通过无线或有线方式将所述输入信号发送到差分定向传感器系统102，这取决于所述多个定向传感器是包含在差分定向传感器系统102中、还是所述差分定向传感器系统102的辅助。作为示例而非限制，所述多个定向传感器可以包括在差分定向传感器系统102中。或者可以是所述差分定向传感器系统102的辅助或外围设备。在这种情况下，例如，所述多个定向传感器可以通过电缆或电线将输入信号传输到所述差分定向传感器系统102。
38.在实施中，特定几何构型可以是二维或三维。另外，所述特定几何构型可以由例如具有共同中心的多个圆(例如，二维几何构型)或具有不同中心的多组圆形成，其中每组圆具有相同的中心(例如，三维几何构型)。作为示例而非限制，图4a-4f示出了描绘多个定向传感器的示例性几何构型的示意图。图4a-4f中的黑点表示各几何构型中的定向传感器及其相应位置。图中黑点的相应数量(即，定向传感器的相应数量)仅是示例而非限制。所述特定几何构型中的定向传感器的数量可以变化，并且取决于多个定向传感器和/或差分定向传感器系统102的相应应用规范。图4a示出了多个定向传感器分布在圆形环境中的示例构型。图4b-4d示出了不同的示例性构型，其中每个示例性构型具有多个同心圆(两个同心圆作为示例而非限制示出)以及基于所述多个同心圆的环境分布的多个定向传感器。如图4b-4d所示，所述多个定向传感器形成不同的几何构型或形状，这取决于所述多个定向传感器的分布。如图4a-4d所示的定向传感器的不同示例构型，图4a-4d对应于二维几何构型。
39.图4e和4f示出了三维空间中定向传感器的不同几何构型示例。图4e示出了分布在圆柱体的圆柱表面上的多个定向传感器的示例性构型。图4f示出了分布在球体的球形表面上的多个定向传感器的示例性构型。显然，其它几何构型，例如分布在多个同轴圆柱表面上的多个定向传感器的构型、分布在多个同心球面表面上的多个定向传感器的几何构型等也是可能的，这取决于所述多个定向传感器的使用和应用，其不受本发明的限制。
40.在实施中，几何构型(诸如图4a-4f中所示的几何构型)中的多个定向传感器可以彼此等距地间隔开，也可以彼此不等距地间隔开。在实施中，所述多个定向传感器(或所述多个定向传感器的各自信号感测或检测组件)可以从特定几何构型的(一个或多个)特定点面向外部。例如，所述多个定向传感器可以从特定几何构型的中心(诸如图4a-4d中所示的几何构型)面向外部，或者从所述特定几何构型的一个或多个中心(诸如图4e和4f中所示的几何构型)面向外部。此外，尽管图4a-4f示出了一定数量的定向传感器，但所述特定构型中的定向传感器的数量不限于此，并且可以是任何正整数，例如3、4、5、8、10、20、50等，这取决于多个定向传感器或差分定向传感器系统102的使用和应用、所述多个定向传感器或所述差分定向传感器系统102的期望质量和/或灵敏度、以及所述多个定向传感器或所述差分定
向传感器系统102等检测的输入信号的类型。
41.在实施中，输入信号可以包括来自与多个定向传感器的特定几何构型相关联的、预定义坐标系下的特定方向的信号。作为示例而非限制，所述预定义坐标系的原点可能设在所述特定几何构型的中心处。
42.在实施中，差分定向传感器系统102使用的多个定向传感器的类型取决于输入信号的类型。例如，如果所述输入信号是声音或音频信号，则所述多个定向传感器的类型是诸如定向麦克风的声学传感器。如果所述输入信号是无线电信号，则所述多个定向传感器的类型是诸如定向天线的无线电传感器。如果所述输入信号是视觉信号，则所述多个定向传感器的类型是诸如定向摄像机的视觉传感器。
43.在实施中，多个定向传感器中的定向传感器可以是单向的，或者基本上是单向的，其信号检测范围有限(例如，角度范围为-2
°
至2
°
、-5
°
至5
°
或-10
°
至10
°
等)和/或信号检测能力或增益随着角度偏离定向传感器的信号感测或检测部件的中心轴而降低。
44.在框304处，差分定向传感器系统102可以对所述输入信号执行第一预定变换，以获得相应的变换信号。
45.在实施中，在从所述多个定向传感器获得或收集输入信号之后，所述差分定向传感器系统102可以输入信号执行第一预定变换，以将所述输入信号从一个域转换到另一个域。作为示例而非限制，差分定向传感器系统102可以对所述输入信号应用第一预定变换，以将所述输入信号从时域转换到频域，并获得相应的频带。在实现中，第一预定变换可以包括但不限于短时傅立叶变换、一组预定的滤波器组或能够将信号从时域变换到频域的任何变换等。
46.附加地或替代地，所述差分定向传感器系统102可以对输入信号应用第一预定变换或分解，以将所述输入信号从一个表示转换为另一个表示。根据输入信号的类型(诸如音频信号、无线电信号或视觉信号等)，第一预定变换或分解的示例可以包括但不限于小波变换等。
47.在框306处，所述差分定向传感器系统102可以将一组预定权重应用于相应的变换信号，以获得组合信号。
48.在实施中，在从所述输入信号获得相应的变换信号之后，所述差分定向传感器系统102可以将预定权重组应用于相应的变换信号。在实施中，所述预定权重组中的预定权重的数量等于所述多个定向传感器的几何构型中的定向传感器的数量。在实施中，所述预定权重组的所述预定权重与所述几何构型中的所述多个定向传感器具有一一对应的关系。
49.在实施中，所述差分定向传感器系统102可以基于特定方向从预定权重的集合中选择所述预定权重组。所述预定权重的集合可以包括在与特定几何构型相关联的预定坐标系下、用于不同方向的预定权重的各预定权重组。在实施中，由差分定向传感器系统102选择的所述预定权重组可以对应于预定坐标系下的特定方向，所述预定坐标系与多个定向传感器的特定几何构型相关联。
50.在实施中，所述差分定向传感器系统102可以将预定权重组的集合存储在存储器204(例如，权重数据库214)中。附加地或替代地，预定权重组的集合可以存储在差分定向传感器系统102的远程或外围设备中，诸如一个或多个服务器106或差分定向传感器系统102的外围设备，并且允许所述差分定向传感器系统102访问来自该远程或外围设备的预定权
重组的集合。
51.在实施中，每组预定权重可以使差分定向传感器系统102相对于特定几何构型中的特定点(例如，公共中心)或与特定几何构型相关联的坐标系原点、优先对多个定向传感器208从特定优选或期望方向接收的信号进行加权或强调，例如，原点是一个共同的中心。在这种情况下，差分定向传感器系统102可以从预定权重的集合中选择一组预定权重，并将该组预定权重应用于相应的变换信号，以获得组合信号。换句话说，通过选择一组不同的预定权重(例如，针对特定优选或期望方向的特定预定权重组)，差分定向传感器系统102可以以电子方式调整多个定向传感器，以接收来自优选或期望方向的信号，而无需机械地移动多个定向传感器和/或差分定向传感器系统102的任何物理部分。
52.在实施中，可以至少部分地根据一个或多个预定义约束、多个定向传感器的波束模式、多个定向传感器的数量、以及所述多个定向传感器在与所述特定几何构型相关联的坐标系下的相对位置，来预先确定或计算预定权重组的集合。在实施中，所述预定权重可以是频率相关的，即，每个预定权重是取决于频率的函数。确定或计算与不同输入信号方向或角度的多个定向传感器的特定几何构型相关联的预定权重组的集合的示例方法将在后续部分中描述。
53.在框308处，所述差分定向传感器系统102可以对组合信号执行第二预定变换，以获得输出信号。
54.在实施中，在将预定权重组应用于各自的变换信号、以获得所述组合信号之后，差分定向传感器系统102可以对该组合信号执行第二预定变换，以获得输出信号。在实施中，所述第二预定变换与所述第一预定变换相反或颠倒。例如，如果第一预定变换用于将信号从第一表示或域(例如时域)变换到第二表示或域(例如频域)，所述第二预定变换用于将信号从所述第二表示或域变换到所述第一表示或域。
55.尽管上述方法框被描述为以特定顺序执行，但在一些实施中，所述部分或全部方法框可以以其他顺序执行，或并行执行。例如，差分定向传感器系统102可以从多个定向传感器获得新的输入信号，同时处理(诸如变换、加权、反变换等)之前从多个定向传感器获得的输入信号、或从差分定向传感器系统102连接并负责的另一组或多组定向传感器获得的输入信号等。
56.另外，尽管在该示例中，差分定向传感器系统102被描述为包括特定组定向传感器(即，如上所述以特定几何构型进行布置的多个定向传感器)或与之相关联，差分定向传感器系统102可以包括多组定向传感器或与多组定向传感器相关联，并且如上所述处理从每组定向传感器接收的相应信号。多组定向传感器可以是或可以不是相同类型(即，声学类型、无线电类型、视觉类型等)，并且可以是或可以不是相同的几何构型。在这种情况下，差分定向传感器系统102可以存储或访问适用于这些多组定向传感器的各种预定权重组的集合。
57.另外，差分定向传感器系统102可以估计或确定期望的或确定的信号源自或来自的方向。作为示例而非限制，所述差分定向传感器系统102可以确定由多个定向传感器接收的期望信号或特定信号的相应信号强度。然后，所述差分定向传感器系统102可以基于所检测到的期望信号或特定信号的信号强度，通过例如一个或多个定向传感器的加权平均方向来估计或确定期望信号或特定信号来自或源自的方向。
定向传感器构型示例
58.作为示例而非限制，本文使用定向麦克风作为上述定向传感器的示例。需要说明的是，本技术不限于定向传感器的这一示例，其他类型的定向传感器也可以用于并适用于本技术。
59.在实现中，定向麦克风的波束模式可以表示为:p (1-p)cosα，其中，α是离轴角度，并且p定义定向麦克风的属性。例如，当p＝0.5时产生心形波束图案，当p＝0时产生偶极子。在实施中，定向麦克风可以使用两种方法来实现，即，第一种方法采用专用定向麦克风，该专用定向麦克风带有一个具有两个声音入口的麦克风盒，第二种方法采用具有适当的数字信号处理的双全向元件系统。由于在第一种方法中，产生方向性的信号处理是通过专用定向麦克风在声学上的前后声入口完成的，因此，与第二种方法相比，第一种方法产生的定向麦克风在信噪比(snr)方面更好，。在实施中，所述专用定向麦克风可以以ecm(驻极体电容麦克风)或mems(微机电系统)的形式实现。
60.为了便于描述，以圆形构型为例，该圆形构型具有分布在圆形环境中的定向传感器(例如，定向麦克风)。尽管如此，以下描述也可以适用于定向传感器(例如，定向麦克风)的其他更复杂的几何构型，因为这些复杂的几何构型可以由多个同心圆形成、或分解成多个同心圆，或具有不同中心的多组圆，每组圆具有相同中心，其中定向传感器相应地分布在多个同心圆的环境中，或在多组圆中的多个圆的环境中，如图4a-4f所示。然后，对于定向传感器的这些复杂几何构型的结果，可以通过叠加定向传感器的各个圆的相应结果来获得。
61.在实施中，定向麦克风的这种圆形构型可以被称为圆形差分定向麦克风阵列(cddma)。在此示例中，考虑了远场中的单个期望声源，并且表现为撞击在半径为r的m个定向麦克风的圆形构型上的平面波。如图5所示，所述定向麦克风分布在圆形环境中，并指向外部。定向麦克风可以均匀分布，也可以不均匀分布。为了简单且不损失通用性，在该示例中，定向麦克风被描述为均匀分布。方位角θ表示声音从声源到达的方向，c表示声速。
62.在这种情况下，转向向量被定义为:d(ω,θ)＝[d1,d2,
…
,dm,
…
,dm]t(1)其中，上标t是转置算子，对于均匀分布的cddma，式(1)中的每个元素可以通过如下公式得到:其中，是虚数单位，ω＝2πf是角频率，f是时间频率，并且是本示例均匀分布的cddma中的第m个元素的角位置。
[0063]
利用公式(2)，转向向量d(ω，θ)可以改写为:d(ω,θ)＝u(p,θ)a(ω,θ)(3)其中，a(ω,θ)＝[a1,a2,
…
,am,
…
,am]
t
(4)其中，以及u(p,θ)＝diag(u1,u2,
…
,um,
…
,um)(5)
[0064]
u(p，θ)称为麦克风响应矩阵，其中
[0065]
在实施中，带有麦克风阵列的差分波束成形(或差分波束成形器或以下简称为波束成形器)可用于在存在噪声和干扰的情况下估计从期望方向到达的目标信号。在该实例中，差分波束成形可以被解释为空间滤波器，以通过应用复数权重向量来估计来自期望方
向的信号、并抑制来自其他非期望方向的信号:h(ω)＝[h1(ω)h2(ω)
…hm
(ω)]
t
(6)
[0066]
给定一个信号模型，波束形成器可能在期望的方向θ上表现出无失真的响应，而在对其他非期望方向的响应中具有一定的失真，即，其中，上标h是共轭转置算子。
[0067]
在实现中，本文定义了三种性能度量，即白噪声增益(wng)、方向性因子(df)和(频率不变)波束模式。在实施中，wng可以示出波束形成器抑制空间不相关噪声的能力，并且可以用于评估波束形成器对某些缺陷(例如传感器噪声、位置误差等)的灵敏度。在实现中，wng可以定义为:
[0068]
在实施中，波束模式可以说明波束形成器对从入射角θ入射到阵列上的平面波的方向灵敏度(如图1所示):
[0069]
在实施中，功率模式即可用于表示性能。需要注意的是，频率不变的波束模式通常是理想的或优选的。在实施中，df可以定义为在期望的转向方向上的信号功率(在阵列输出中)与在所有方向上平均的信号功率之间的比率:其中，θ是方位角，是仰角，是球坐标系中的波束模式。在实现中，方向性索引(di)可以定义为
[0070]
在实施中，为了设计cddma波束形成器，可以将问题公式化为线性方程组，如下所示:r(ω,θ)h(ω)＝cθ(11)其中h(ω)是要获得的cddma波束成形权重(即，如上所述的一组预定权重)。c
θ
是约束向量，其为其中θ＝[θ1,θ2,
…
,θn]是角度向量，n是n≤m的约束数。r(ω，θ)是n
×
m的约束矩阵，由下式给出：
[0071]
在实施中，基于方程式(11)，波束形成器的属性可以由约束向量c
θ
和需要在设计中指定的角度参数向量θ确定。作为示例而非限制，如果在方程式(11)中θ1处的转向矢量遵循dh(ω,θ1)h(ω)＝1，其意味着θ1成为cddma波束形成器的期望方向，该方向产生来自该方向的声音的无失真输出。对于i＝2,3，
…
，n的剩余可以设置为零，即，这
些θi确定或决定波束模式的空值。
[0072]
在实现中，可以使用最小范数解来求解诸如方程式(11)的线性系统方程，并且cddma波束形成器可以通过以下方程式获得:h(ω)＝rh(ω,θ)[r(ω,θ)rh(ω,θ)]-1cθ
(13)
[0073]
例如，如果期望的方向θ是0度，即方程(11)中的c0＝1，并且方程(2)中的p＝0.5，即，以心形元件作为定向麦克风的示例，以形成cddma波束形成器。图6a-6f示出了cddma和使用频率为1khz、3khz和6khz的全向麦克风的圆形差分麦克风阵列(cdma)之间的两种不同设计的波束模式的比较，其中使用r＝1.5厘米和m＝8。第一种设计是构造一阶心形线(c
π
＝0)，而第二种设计是构造二阶心形线如图6a，6c和6e所示，cddma和cdma的波束模式非常接近1khz和3khz时所需的1阶心形线。cdma波束模式在6khz处明显偏离，而cddma波束模式仍然适用于所需的设计。因此，对于1阶心形线的设计，cddma比cdma更具频率不变性。如图6b、6d和6f所示，对于2阶心形线的设计，cdma和cddma都是非常频率不变的。
[0074]
图7a和7b示出了在上述相同设计中cddma和cdma在wng和di方面的比较。从图7a中可以看出，两种设计的cddma都表现出了比cdma在低频时更高的wng。从图7b可以看出，与cdma相比，cddma在高频段的di方面有改善。最后，对于cdma和cddma，高阶波束形成器在低频下会导致较高的di和较低的wng。因此，与使用全向麦克风的cdma相比，采用小范数解决方案的cddma更具频率不变性，cddma波束形成器在低频处的wng得到了显著提高，而cddma波束形成器的di与cdma相比在高频处有所提高。结论
[0075]
尽管已经以特定结构特征和/或方法动作的语言描述了实施方式，但是应当理解，权利要求不一定限定为所描述的特定特征或动作。相反，所述具体特征和动作被公开为实现所要求保护的主题的示例性形式。附加地或替代地，部分或全部操作可以由一个或多个asics，fpgas或其他硬件来实现。
[0076]
使用以下条款可以进一步理解本技术。
[0077]
条款1:一种由计算设备实现的方法，所述方法包括:获得以特定构型布置的多个定向传感器接收的输入信号；将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带；将预定权重组应用于所述频域中的相应频带，以获得组合频带；以及将所述组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。
[0078]
条款2:根据条款1所述的方法，其中，所述特定构型包括圆形构型，其中，所述定向传感器位于具有预定半径的圆形环境中，并且所述定向传感器从所述圆的中心面向外部。
[0079]
条款3:根据条款1所述的方法，其中，所述特定构型包括所述定向传感器位于具有不同半径的一个或多个同心圆对应的一个或多个环境中的构型，并且所述定向传感器从所述一个或多个同心圆的公共中心面相外部。
[0080]
条款4:根据条款1所述的方法，其中，将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带，包括：对所述输入信号应用短时傅立叶变换或预定的滤波器组。
[0081]
条款5:根据条款1所述的方法，其中，所述输入信号包括来自与所述多个定向传感器相关联的预定坐标系下的特定方向的信号。
[0082]
条款6:根据条款5所述的方法，还包括：基于所述特定方向从预定权重的集合中确定所预定权重组，所述预定权重的集合包括在与所述多个定向传感器的中心相关联的预定坐标系下、用于不同方向的各预定权重组。
[0083]
条款7:根据条款1所述的方法，其中，至少基于以下内容的一部分计算所述预定权重：一个或多个预定约束、所述定向传感器的波束模式、所述定向传感器的数量、以及定向传感器在与所述多个定向传感器相关联的坐标系下的相对位置。
[0084]
条款8:根据条款1所述的方法，其中，所述预定权重取决于频率。
[0085]
条款9:根据条款1所述的方法，其中，所述多个定向传感器包括多个定向麦克风。
[0086]
条款10:一种系统，包括:以特定构型布置的多个定向传感器，所述多个定向传感器被配置成接收输入信号；存储器，其被配置成存储预定权重组的集合；一个或多个处理器，其被配置为:获得以特定构型布置的多个定向传感器接收的输入信号；将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带；将预定权重组应用于所述频域中的相应频带，以获得组合频带；以及将所述组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。
[0087]
条款11:根据条款10所述的系统，其中，所述特定构型包括圆形构型，其中，所述定向传感器位于具有预定半径的圆形环境中，并且所述定向传感器从所述圆的中心面向外部。
[0088]
条款12:根据条款10所述的系统，其中，所述特定构型包括所述定向传感器位于具有不同半径的一个或多个同心圆对应的一个或多个环境中的构型，并且所述定向传感器从所述一个或多个同心圆的公共中心面相外部。
[0089]
条款13:根据条款10所述的系统，其中，将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带，包括：对所述输入信号应用短时傅立叶变换或预定的滤波器组。
[0090]
条款14:根据条款10所述的系统，其中，所述输入信号包括来自与所述多个定向传感器相关联的预定坐标系下的特定方向的信号。
[0091]
条款15:根据条款14所述的系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为：基于所述特定方向从预定权重的集合中确定所预定权重组，所述预定权重的集合包括在与所述多个定向传感器的中心相关联的预定坐标系下、用于不同方向的各预定权重组。
[0092]
条款16:根据条款10所述的系统，其中，至少基于以下内容的一部分计算所述预定权重：一个或多个预定约束、所述定向传感器的波束模式、所述定向传感器的数量、以及定向传感器在与所述多个定向传感器相关联的坐标系下的相对位置。
[0093]
条款17:根据条款10所述的系统，其中，所述预定权重取决于频率。
[0094]
条款18:根据条款10所述的系统，其中，所述多个定向传感器包括多个定向麦克风。
[0095]
条款19:存储可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当所述可执行指令由一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器执行包括以下操作:获得以特定构型布置的多个定向传感器接收的输入信号；将所述输入信号从时域变换到频域，以获得相应频带；将预定权重组应用于所述频域中的相应频带，以获得组合频带；以及将所述组合频带从频域变换到时域，以获得输出信号。
[0096]
条款20:根据条款19所述的一种或多种计算机可读介质，其中所述输入信号包括来自与所述多个定向传感器相关联的预定坐标系下的特定方向的信号，所述操作还包括：
基于所述特定方向从预定权重的集合中确定所述预定权重组，所述预定权重的集合包括在与所述多个定向传感器的中心相关联的预定坐标系下、用于不同方向的各预定权重组。