王順利　洪強(qiáng)　黃歡

摘 要 近年來，定位系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，在工業(yè)，民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)與需求，聲源檢測與定位系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。本文討論了聲源定位技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用以及研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞 聲源定位 聲納系統(tǒng) 麥克風(fēng)陣列 時(shí)間差 信號

中圖分類號：TB51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1聲源定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

被動(dòng)聲探測定位技術(shù)是一種接收聲場信息，利用電子裝置確定目標(biāo)聲源位置的高新技術(shù)，該技術(shù)屬于無輻射源目標(biāo)定位技術(shù)，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)本身僅依賴于目標(biāo)聲源的聲音信號的接收，并實(shí)現(xiàn)使用接收到的聲音信號來實(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)陣列接收聲場信息，依靠聲源信號到達(dá)各個(gè)陣元的時(shí)間差估計(jì)以及時(shí)間延遲估計(jì)來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)聲源信號的測向和測距。因此，在已知幾何關(guān)系的麥克風(fēng)陣列情況下，由源信號準(zhǔn)確到達(dá)每個(gè)麥克風(fēng)陣元時(shí)間差的估算，我們可以準(zhǔn)確地計(jì)算出的位置參數(shù)信息源。

聲源定位技術(shù)有著悠久的發(fā)展歷史。其最先在聲納系統(tǒng)中使用， 采用電磁波來發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo)的位置，在水下電磁波是非常大的，所以受到了距離限制。在這種情況下，水下目標(biāo)聲信號追蹤法應(yīng)運(yùn)而生。1940意大利達(dá)芬奇首先發(fā)現(xiàn)了聲管，水聲被動(dòng)定位技術(shù)由此誕生，現(xiàn)在有超過500年的發(fā)展歷史。但真正意義上的發(fā)展，是在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，在水下使用聲納來尋找目標(biāo)的時(shí)候，這種方法也將很容易暴露自己，帶來潛在的危險(xiǎn)。因此人們開始了水下被動(dòng)聲定位的研究。在第一次世界大戰(zhàn)中應(yīng)用在地面上的被動(dòng)聲探測技術(shù)，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。在第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候，聲探測技術(shù)是特別重要的，大部分炮兵偵察任務(wù)是依賴于聲源定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。在朝鮮戰(zhàn)爭中，聲波檢測技術(shù)也顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。

但在一段時(shí)間內(nèi)，隨著紅外，激光的興起，雷達(dá)偵察技術(shù)在一定程度上影響了被動(dòng)聲探測源技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致其曾經(jīng)被忽視。但近年來，使用雷達(dá)搜索目標(biāo)面臨的電子干擾，低海拔的突變，隱身技術(shù)，反輻射導(dǎo)彈這四大挑戰(zhàn)，使其越來越容易受到攻擊。在這種情況下，人們開始重新審視被動(dòng)聲探測定位技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，這是研究被動(dòng)聲探測技術(shù)的又一個(gè)重要的原因。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)陣列處理技術(shù)，信號處理技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)，被動(dòng)聲定位技術(shù)再次發(fā)展迅速，并取得了進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。

在國防現(xiàn)代化方面，聲源定位技術(shù)可以用來測量在地面作戰(zhàn)的炮兵陣地；可以用來找到隱藏在某地的狙擊手位置，還可用于測量彈藥試驗(yàn)火炮的著落點(diǎn)和空中炸點(diǎn)。在航空航天領(lǐng)域，可以使用聲源定位技術(shù)來測量位置。此外，在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，坦克具有防護(hù)力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性能好，火力強(qiáng)勁等特點(diǎn)，所以在地面戰(zhàn)斗上能壓制敵人；武裝直升機(jī)以其靈活的運(yùn)作方式和獨(dú)特的超低飛行能力也深受戰(zhàn)爭的信賴。但隨著現(xiàn)在隱身技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用在坦克和直升機(jī)上的傳統(tǒng)檢測技術(shù)已經(jīng)喪失作用，在這種情況下，被動(dòng)聲源探測技術(shù)將發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。

2聲源定位技術(shù)的研究狀況

聲源定位技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展后，檢測技術(shù)已經(jīng)有了一定程度的發(fā)展，也有一定程度的提高。原來的普通聲波檢測技術(shù)是碳粒子或冷凝器來接收聲信號，無線或光纖技術(shù)傳輸信號，通過點(diǎn)蝕紙袋或墨水磁帶錄音來記錄信號信息，隨后將錄音機(jī)連接到計(jì)算機(jī)上，用計(jì)算機(jī)處理采集到的信號來分析出結(jié)果?，F(xiàn)代的聲源定位現(xiàn)代技術(shù)中，開發(fā)出了功率集成電路，簡化了測量過程。

國外的聲波檢測技術(shù)不僅應(yīng)用在坦克和武裝直升機(jī)上，而且還應(yīng)用在智能地雷上。智能地雷能夠找到目標(biāo)的位置，在正確的時(shí)間和地點(diǎn)引爆，從而可以達(dá)到最有效的攻擊。智能地雷的原理是依靠聲源定位技術(shù)產(chǎn)生聲源位置信息，并將其反饋到爆炸的位置控制系統(tǒng)中，控制起爆時(shí)間。研究這種武器能夠有效打擊地面坦克和低空直升飛機(jī)。

國外早在二十世紀(jì)80年代開始，就已經(jīng)開始研究基于語音增強(qiáng)技術(shù)會(huì)議的聲源定位技術(shù)。近年來，語音處理的聲源定位技術(shù)已成為新的研究熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義，許多國際著名公司和研究機(jī)構(gòu)如IBM，貝爾，已經(jīng)在開發(fā)新的用于大型會(huì)議語音增強(qiáng)和濾波技術(shù)的產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，包括視頻電話，視頻會(huì)議系統(tǒng)，電話會(huì)議系統(tǒng)。還有在強(qiáng)噪聲環(huán)境下語音采集的聲源定位技術(shù)，語音識別和說話人識別軟件處理，大型網(wǎng)站的會(huì)議記錄和助聽器等。這些產(chǎn)品應(yīng)用于各種實(shí)際的社會(huì)生活場合，已經(jīng)顯示出巨大的優(yōu)勢和市場潛力。

先前已被應(yīng)用于實(shí)際的聲源定位算法波束形成法。基于麥克風(fēng)陣列波束形成法中，陣列輸出是各個(gè)陣元輸出的加權(quán)總和，然后通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)來形成理想的波束，導(dǎo)致在其他方向產(chǎn)生響應(yīng)。通過觀察空間波束掃描可確定聲源信號的方向信息。然而，陣列的分辨率通常受到瑞利判據(jù)的限制，這是一個(gè)無法解決的棘手難題。

為了解決常規(guī)波束形成的信號處理問題，許多研究人員已經(jīng)做了大量的研究，希望能夠改變這種不利的因素，因此出現(xiàn)了各種高分辨率算法。如最小方差法，結(jié)構(gòu)法，信號子空間法和最大熵譜法。與傳統(tǒng)的波束形成方法相比，這些高分辨率算法雖然提高了陣列的分辨率，但不能解決相干源問題。

參考文獻(xiàn)

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