浅谈基于时延估计算法的声源定位技术

梁李鹏　陈潇怡　陆永耕

摘 要 声源定位算法的关键是在不同的收集时间延迟估计在阵元阵列的声信号。在时延估计算法中有两个重要的概念，即时间延迟和时间延迟估计。时间延迟估计是指使用信号处理和参数估计方法的原理以及声源信号的时延估计来进行测定，以确定声源信号的空间距离，空间定位和运行速度等相关参数。

关键词 时延估计算法 声源定位技术 麦克风阵列 声源信号 目标声源

中图分类号：TN912 文献标识码：A

1声源定位技术的应用

被动声探测定位技术是一种利用电子装置接收信息来确定目标声源的定位技术，该定位技术属于无辐射源定位方式，主要用于被动声探测，没有主动检测功能。其特点是系统本身只能靠声音信号发送到目标声源，使用接收到的声音信号来实现位置检测和定位目标声源。目前，声源定位技术主要是利用麦克风阵列的声场信息，对声源信号到达各个阵列元素之间的时间差来估值，被动声源信号的实时延迟估计可以完成测向和测距的任务。所以，在几何位置信息已知的麦克风阵列的声源信号的情况下，根据准确到达麦克风阵列的每个数组元素的时间差估值，我们就可以计算出声源位置的精确参数信息。

声源定位技术具有悠久的发展历史。第一个用声纳系统的目的是利用水下目标定位，在定位时，发现了水下电磁波，电磁波衰减是非常大的，导致其作用距离非常有限。在这种情况下，基于水下目标跟踪方法的声信号将应运而生。意大利的科学家达芬奇首先发现声管，水声被动定位技术由此开始，到现在已经整整几百年的发展历史。但真正意义上的发展，要从第二次世界大战结束后算起，主要是使用主动声纳来进行水下目标的寻找，但使用这种方法也很容易暴露目标，使自己陷入潜在的危险之中。因此，人们开始对水下被动声定位进行研究。被动声探测技术应用于地面是在第一次世界大战中产生的，主要是用来探测敌人的炮兵阵地，并取得了良好的应用效果。第二次世界大战期间，声探测技术是特别重要的，超过半数的炮兵侦察任务是依赖于声源定位技术来实现的。在朝鲜战争中，声波检测技术也显示了其优越性。

但在一段时间内，随着红外，激光的发展，雷达侦察技术的提高，在一定程度上影响了被动声源检测技术的发展。但近年来发现，雷达在目标搜索使用中面临到电子干扰，低海拔的突变，隐身技术，反辐射导弹这四大挑战，导致目标越来越容易受到攻击。在这种情况下，人们开始重新审视了被动声探测定位技术的应用价值，对被动声探测技术的研究已经引起了新的关注。目前，随着计算机技术，微电子技术的出现，现代数字信号处理技术，人工神经网络，阵列处理技术，自适应信号处理和其他各种相关技术的成熟，使得被动声定位技术得到了又一次迅速的发展，并取得了进一步的实际应用。

在现代国防领域，声源定位技术可以用来衡量炮兵阵地和地面战争；可以用来找到隐藏狙击手和弹药仓库的具体位置。在航空航天领域，可以用来测量降落点。此外，在现代军事战争中，坦克应具备了防护力强，机动性好，火力强等特点，使其在土地上是曾经的骄傲；武装直升机以其灵活的操作和独特的超低空飞行能力模式也深受战争的喜爱。但随着现在的隐身技术迅速发展，在坦克和直升机的常规检测技术中，被动声探测技术将发挥巨大的优势。

声源定位技术在语音信号处理的过程中也起着重要的作用。例如，一个麦克风阵列拾取声源信号进行处理，数字信号通过阵列信号对环境噪声做分析，可以在有效的空间中获得更高质量的声音效果；甚至可以拾取语音信号强度高的背景噪声，提高语音拾取的质量。麦克风阵列系统可以通过电子瞄准的方式使声源定位产生高质量的信号，语音和噪声能同时抑制对方，因此其得到的噪声抑制效果好。麦克风阵列系统不需要将传感器放置在声源处，不需要无限制的扬声器，也不需要通过移动接收机来改变方向。这些特征帮助它获得多个移动声源，并且可以用在一些特殊的场合。它具有单个麦克风所不具备的特性，即自动检测和定位，并在接收区域跟踪扬声器。如果该算法设计合理，简洁明了，则系统可实现实时跟踪的强大功能。

在当今的学术研究领域中，机器人技术是一个热门的研究课题，基于传声器阵列的声源定位系统可以在机器人的声音系统中进行研究。目前，机器人的语音识别系统研究已经非常成熟，机器人视觉的研究取得了不小的成绩，如何让机器人在语音信号识别的同时也能准确地定位声源的位置，而不是依赖于机器人视觉搜索系统，将成为一个重要的研究方向。声源定位系统的研究可以应用在机器人听觉系统的研究。

2时延估计算法简介

时延估计技术和理论使空间目标的定位问题得以快速发展。根据不同的检测系统，对不同类型的目标信号源来进行时间延迟估计，电流的时间延迟估计方法主要分为主动和被动延迟型两种不同的研究主流。主动时延估计理论典型的应用研究是雷达和主动声纳，雷达或主动声纳依靠发出的电磁波或声波信号，然后通过对电磁波或声波返回的检测和计算返回时间发送和接收的差异，来确定空间距离目标的参数，如方向和速度。活动时间延迟估计的最大特点是积极地通过自己来完成计算信号和信号检测。被动时延估计则恰恰相反，被动时延估计系统本身不发电磁或声信号，而是主要依靠空间位置信息。两个不同的时间延迟估计方法测量原理的不同导致他们有不同的特点，积极的延迟，具有良好的抗干扰性能，参數可以随时调整积极信号，而被动时延估计主要是被动的接受，它会受到信号强度和外界的干扰，但由于主要检测处理所接收的信号，而不发出一个信号，在军事领域具有十分重要的研究意义。

参考文献

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[2] 朱广信，陈彪，金蓉.？？基于传声器阵列的声源定位[J]. 电声技术. 2003（01）.