淺談基于時延估計算法的聲源定位技術

梁李鵬　陳瀟怡　陸永耕

摘 要 聲源定位算法的關鍵是在不同的收集時間延遲估計在陣元陣列的聲信號。在時延估計算法中有兩個重要的概念，即時間延遲和時間延遲估計。時間延遲估計是指使用信號處理和參數估計方法的原理以及聲源信號的時延估計來進行測定，以確定聲源信號的空間距離，空間定位和運行速度等相關參數。

關鍵詞 時延估計算法 聲源定位技術 麥克風陣列 聲源信號 目標聲源

中圖分類號：TN912 文獻標識碼：A

1聲源定位技術的應用

被動聲探測定位技術是一種利用電子裝置接收信息來確定目標聲源的定位技術，該定位技術屬于無輻射源定位方式，主要用于被動聲探測，沒有主動檢測功能。其特點是系統本身只能靠聲音信號發送到目標聲源，使用接收到的聲音信號來實現位置檢測和定位目標聲源。目前，聲源定位技術主要是利用麥克風陣列的聲場信息，對聲源信號到達各個陣列元素之間的時間差來估值，被動聲源信號的實時延遲估計可以完成測向和測距的任務。所以，在幾何位置信息已知的麥克風陣列的聲源信號的情況下，根據準確到達麥克風陣列的每個數組元素的時間差估值，我們就可以計算出聲源位置的精確參數信息。

聲源定位技術具有悠久的發展歷史。第一個用聲納系統的目的是利用水下目標定位，在定位時，發現了水下電磁波，電磁波衰減是非常大的，導致其作用距離非常有限。在這種情況下，基于水下目標跟蹤方法的聲信號將應運而生。意大利的科學家達芬奇首先發現聲管，水聲被動定位技術由此開始，到現在已經整整幾百年的發展歷史。但真正意義上的發展，要從第二次世界大戰結束后算起，主要是使用主動聲納來進行水下目標的尋找，但使用這種方法也很容易暴露目標，使自己陷入潛在的危險之中。因此，人們開始對水下被動聲定位進行研究。被動聲探測技術應用于地面是在第一次世界大戰中產生的，主要是用來探測敵人的炮兵陣地，并取得了良好的應用效果。第二次世界大戰期間，聲探測技術是特別重要的，超過半數的炮兵偵察任務是依賴于聲源定位技術來實現的。在朝鮮戰爭中，聲波檢測技術也顯示了其優越性。

但在一段時間內，隨著紅外，激光的發展，雷達偵察技術的提高，在一定程度上影響了被動聲源檢測技術的發展。但近年來發現，雷達在目標搜索使用中面臨到電子干擾，低海拔的突變，隱身技術，反輻射導彈這四大挑戰，導致目標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聲探測定位技術的應用價值，對被動聲探測技術的研究已經引起了新的關注。目前，隨著計算機技術，微電子技術的出現，現代數字信號處理技術，人工神經網絡，陣列處理技術，自適應信號處理和其他各種相關技術的成熟，使得被動聲定位技術得到了又一次迅速的發展，并取得了進一步的實際應用。

在現代國防領域，聲源定位技術可以用來衡量炮兵陣地和地面戰爭；可以用來找到隱藏狙擊手和彈藥倉庫的具體位置。在航空航天領域，可以用來測量降落點。此外，在現代軍事戰爭中，坦克應具備了防護力強，機動性好，火力強等特點，使其在土地上是曾經的驕傲；武裝直升機以其靈活的操作和獨特的超低空飛行能力模式也深受戰爭的喜愛。但隨著現在的隱身技術迅速發展，在坦克和直升機的常規檢測技術中，被動聲探測技術將發揮巨大的優勢。

聲源定位技術在語音信號處理的過程中也起著重要的作用。例如，一個麥克風陣列拾取聲源信號進行處理，數字信號通過陣列信號對環境噪聲做分析，可以在有效的空間中獲得更高質量的聲音效果；甚至可以拾取語音信號強度高的背景噪聲，提高語音拾取的質量。麥克風陣列系統可以通過電子瞄準的方式使聲源定位產生高質量的信號，語音和噪聲能同時抑制對方，因此其得到的噪聲抑制效果好。麥克風陣列系統不需要將傳感器放置在聲源處，不需要無限制的揚聲器，也不需要通過移動接收機來改變方向。這些特征幫助它獲得多個移動聲源，并且可以用在一些特殊的場合。它具有單個麥克風所不具備的特性，即自動檢測和定位，并在接收區域跟蹤揚聲器。如果該算法設計合理，簡潔明了，則系統可實現實時跟蹤的強大功能。

在當今的學術研究領域中，機器人技術是一個熱門的研究課題，基于傳聲器陣列的聲源定位系統可以在機器人的聲音系統中進行研究。目前，機器人的語音識別系統研究已經非常成熟，機器人視覺的研究取得了不小的成績，如何讓機器人在語音信號識別的同時也能準確地定位聲源的位置，而不是依賴于機器人視覺搜索系統，將成為一個重要的研究方向。聲源定位系統的研究可以應用在機器人聽覺系統的研究。

2時延估計算法簡介

時延估計技術和理論使空間目標的定位問題得以快速發展。根據不同的檢測系統，對不同類型的目標信號源來進行時間延遲估計，電流的時間延遲估計方法主要分為主動和被動延遲型兩種不同的研究主流。主動時延估計理論典型的應用研究是雷達和主動聲納，雷達或主動聲納依靠發出的電磁波或聲波信號，然后通過對電磁波或聲波返回的檢測和計算返回時間發送和接收的差異，來確定空間距離目標的參數，如方向和速度。活動時間延遲估計的最大特點是積極地通過自己來完成計算信號和信號檢測。被動時延估計則恰恰相反，被動時延估計系統本身不發電磁或聲信號，而是主要依靠空間位置信息。兩個不同的時間延遲估計方法測量原理的不同導致他們有不同的特點，積極的延遲，具有良好的抗干擾性能，參數可以隨時調整積極信號，而被動時延估計主要是被動的接受，它會受到信號強度和外界的干擾，但由于主要檢測處理所接收的信號，而不發出一個信號，在軍事領域具有十分重要的研究意義。

參考文獻

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