梁李鵬　陳瀟怡　陸永耕

摘 要 聲源定位算法的關(guān)鍵是在不同的收集時(shí)間延遲估計(jì)在陣元陣列的聲信號(hào)。在時(shí)延估計(jì)算法中有兩個(gè)重要的概念，即時(shí)間延遲和時(shí)間延遲估計(jì)。時(shí)間延遲估計(jì)是指使用信號(hào)處理和參數(shù)估計(jì)方法的原理以及聲源信號(hào)的時(shí)延估計(jì)來進(jìn)行測定，以確定聲源信號(hào)的空間距離，空間定位和運(yùn)行速度等相關(guān)參數(shù)。

關(guān)鍵詞 時(shí)延估計(jì)算法 聲源定位技術(shù) 麥克風(fēng)陣列 聲源信號(hào) 目標(biāo)聲源

中圖分類號(hào)：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1聲源定位技術(shù)的應(yīng)用

被動(dòng)聲探測定位技術(shù)是一種利用電子裝置接收信息來確定目標(biāo)聲源的定位技術(shù)，該定位技術(shù)屬于無輻射源定位方式，主要用于被動(dòng)聲探測，沒有主動(dòng)檢測功能。其特點(diǎn)是系統(tǒng)本身只能靠聲音信號(hào)發(fā)送到目標(biāo)聲源，使用接收到的聲音信號(hào)來實(shí)現(xiàn)位置檢測和定位目標(biāo)聲源。目前，聲源定位技術(shù)主要是利用麥克風(fēng)陣列的聲場信息，對聲源信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣列元素之間的時(shí)間差來估值，被動(dòng)聲源信號(hào)的實(shí)時(shí)延遲估計(jì)可以完成測向和測距的任務(wù)。所以，在幾何位置信息已知的麥克風(fēng)陣列的聲源信號(hào)的情況下，根據(jù)準(zhǔn)確到達(dá)麥克風(fēng)陣列的每個(gè)數(shù)組元素的時(shí)間差估值，我們就可以計(jì)算出聲源位置的精確參數(shù)信息。

聲源定位技術(shù)具有悠久的發(fā)展歷史。第一個(gè)用聲納系統(tǒng)的目的是利用水下目標(biāo)定位，在定位時(shí)，發(fā)現(xiàn)了水下電磁波，電磁波衰減是非常大的，導(dǎo)致其作用距離非常有限。在這種情況下，基于水下目標(biāo)跟蹤方法的聲信號(hào)將應(yīng)運(yùn)而生。意大利的科學(xué)家達(dá)芬奇首先發(fā)現(xiàn)聲管，水聲被動(dòng)定位技術(shù)由此開始，到現(xiàn)在已經(jīng)整整幾百年的發(fā)展歷史。但真正意義上的發(fā)展，要從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后算起，主要是使用主動(dòng)聲納來進(jìn)行水下目標(biāo)的尋找，但使用這種方法也很容易暴露目標(biāo)，使自己陷入潛在的危險(xiǎn)之中。因此，人們開始對水下被動(dòng)聲定位進(jìn)行研究。被動(dòng)聲探測技術(shù)應(yīng)用于地面是在第一次世界大戰(zhàn)中產(chǎn)生的，主要是用來探測敵人的炮兵陣地，并取得了良好的應(yīng)用效果。第二次世界大戰(zhàn)期間，聲探測技術(shù)是特別重要的，超過半數(shù)的炮兵偵察任務(wù)是依賴于聲源定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。在朝鮮戰(zhàn)爭中，聲波檢測技術(shù)也顯示了其優(yōu)越性。

但在一段時(shí)間內(nèi)，隨著紅外，激光的發(fā)展，雷達(dá)偵察技術(shù)的提高，在一定程度上影響了被動(dòng)聲源檢測技術(shù)的發(fā)展。但近年來發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)在目標(biāo)搜索使用中面臨到電子干擾，低海拔的突變，隱身技術(shù)，反輻射導(dǎo)彈這四大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致目標(biāo)越來越容易受到攻擊。在這種情況下，人們開始重新審視了被動(dòng)聲探測定位技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，對被動(dòng)聲探測技術(shù)的研究已經(jīng)引起了新的關(guān)注。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，陣列處理技術(shù)，自適應(yīng)信號(hào)處理和其他各種相關(guān)技術(shù)的成熟，使得被動(dòng)聲定位技術(shù)得到了又一次迅速的發(fā)展，并取得了進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。

在現(xiàn)代國防領(lǐng)域，聲源定位技術(shù)可以用來衡量炮兵陣地和地面戰(zhàn)爭；可以用來找到隱藏狙擊手和彈藥倉庫的具體位置。在航空航天領(lǐng)域，可以用來測量降落點(diǎn)。此外，在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，坦克應(yīng)具備了防護(hù)力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好，火力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在土地上是曾經(jīng)的驕傲；武裝直升機(jī)以其靈活的操作和獨(dú)特的超低空飛行能力模式也深受戰(zhàn)爭的喜愛。但隨著現(xiàn)在的隱身技術(shù)迅速發(fā)展，在坦克和直升機(jī)的常規(guī)檢測技術(shù)中，被動(dòng)聲探測技術(shù)將發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。

聲源定位技術(shù)在語音信號(hào)處理的過程中也起著重要的作用。例如，一個(gè)麥克風(fēng)陣列拾取聲源信號(hào)進(jìn)行處理，數(shù)字信號(hào)通過陣列信號(hào)對環(huán)境噪聲做分析，可以在有效的空間中獲得更高質(zhì)量的聲音效果；甚至可以拾取語音信號(hào)強(qiáng)度高的背景噪聲，提高語音拾取的質(zhì)量。麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)可以通過電子瞄準(zhǔn)的方式使聲源定位產(chǎn)生高質(zhì)量的信號(hào)，語音和噪聲能同時(shí)抑制對方，因此其得到的噪聲抑制效果好。麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)不需要將傳感器放置在聲源處，不需要無限制的揚(yáng)聲器，也不需要通過移動(dòng)接收機(jī)來改變方向。這些特征幫助它獲得多個(gè)移動(dòng)聲源，并且可以用在一些特殊的場合。它具有單個(gè)麥克風(fēng)所不具備的特性，即自動(dòng)檢測和定位，并在接收區(qū)域跟蹤揚(yáng)聲器。如果該算法設(shè)計(jì)合理，簡潔明了，則系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤的強(qiáng)大功能。

在當(dāng)今的學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域中，機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)熱門的研究課題，基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)可以在機(jī)器人的聲音系統(tǒng)中進(jìn)行研究。目前，機(jī)器人的語音識(shí)別系統(tǒng)研究已經(jīng)非常成熟，機(jī)器人視覺的研究取得了不小的成績，如何讓機(jī)器人在語音信號(hào)識(shí)別的同時(shí)也能準(zhǔn)確地定位聲源的位置，而不是依賴于機(jī)器人視覺搜索系統(tǒng)，將成為一個(gè)重要的研究方向。聲源定位系統(tǒng)的研究可以應(yīng)用在機(jī)器人聽覺系統(tǒng)的研究。

2時(shí)延估計(jì)算法簡介

時(shí)延估計(jì)技術(shù)和理論使空間目標(biāo)的定位問題得以快速發(fā)展。根據(jù)不同的檢測系統(tǒng)，對不同類型的目標(biāo)信號(hào)源來進(jìn)行時(shí)間延遲估計(jì)，電流的時(shí)間延遲估計(jì)方法主要分為主動(dòng)和被動(dòng)延遲型兩種不同的研究主流。主動(dòng)時(shí)延估計(jì)理論典型的應(yīng)用研究是雷達(dá)和主動(dòng)聲納，雷達(dá)或主動(dòng)聲納依靠發(fā)出的電磁波或聲波信號(hào)，然后通過對電磁波或聲波返回的檢測和計(jì)算返回時(shí)間發(fā)送和接收的差異，來確定空間距離目標(biāo)的參數(shù)，如方向和速度?；顒?dòng)時(shí)間延遲估計(jì)的最大特點(diǎn)是積極地通過自己來完成計(jì)算信號(hào)和信號(hào)檢測。被動(dòng)時(shí)延估計(jì)則恰恰相反，被動(dòng)時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)本身不發(fā)電磁或聲信號(hào)，而是主要依靠空間位置信息。兩個(gè)不同的時(shí)間延遲估計(jì)方法測量原理的不同導(dǎo)致他們有不同的特點(diǎn)，積極的延遲，具有良好的抗干擾性能，參數(shù)可以隨時(shí)調(diào)整積極信號(hào)，而被動(dòng)時(shí)延估計(jì)主要是被動(dòng)的接受，它會(huì)受到信號(hào)強(qiáng)度和外界的干擾，但由于主要檢測處理所接收的信號(hào)，而不發(fā)出一個(gè)信號(hào)，在軍事領(lǐng)域具有十分重要的研究意義。

參考文獻(xiàn)

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