聶 磊，鄒 靜，劉夢然，馮 勝

(湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

0 引言

聲音是信息傳播的重要載體，基于傳感器陣列的聲源定位是一個重要的研究方向，在自動駕駛、無人機、潛艇探測等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，在國防安全和工業(yè)自動化生產(chǎn)中的重要性日益提升。特別在水下定位中，聲波幾乎是目前唯一可以實用化的遠距離傳播的能量形式，具有重要的研究意義。應(yīng)用麥克風(fēng)陣列進行定位是現(xiàn)在聲源定位的一種重要方法，基本原理是利用麥克風(fēng)陣列采集聲音信號，再將聲源與陣列結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行分析，從而得到聲源的位置信息[1-2]。

目前主要使用的聲源被動定位方法可分為三類：基于到達時延差定位法、基于高分辨率譜估計的定位法和基于波束形成的定位法[3-4]?；诘竭_時延差定位法的計算量小、易實現(xiàn)，是目前最常用的定位方法之一，該方法利用聲源到達麥克風(fēng)不同位置的時間差來估計聲源的位置，但對于遠程和低信噪比下的定位精度不高[5-6]?；诟叻直媛首V估計的定位法主要來源于現(xiàn)代高分辨率譜估計技術(shù)，但由于聲音信號短時和平穩(wěn)的特性，使得此法難以滿足高分辨率對于估計精度的需求，實用性不強[7]?；诓ㄊ纬傻亩ㄎ环椒▽⒏麝囋杉男盘栠M行加權(quán)求和和波束形成，通過引導(dǎo)波束來實現(xiàn)定位，但這種方法計算量大且不利于實時定位。雖然上述方法可以滿足基本定位需求，但仍需改進。

本文提出了一種基于聲場Hanbury Brown-Twiss(HBT)干涉的空間定位方法，此法可以實現(xiàn)在低信噪比情況下低頻信號的遠距離準(zhǔn)確定位，對傳感器位置要求不高。通過仿真和空氣實驗驗證了此法的正確性，為聲傳播介質(zhì)(空氣、水等)內(nèi)遠距離目標(biāo)定位的研究提供了新的思路。

1 HBT干涉定位原理實驗

光的HBT干涉實驗描述了光場強度之間的關(guān)聯(lián)，當(dāng)兩路光信號時間延遲為0時，關(guān)聯(lián)函數(shù)為最大值，隨著時間延遲的增加，關(guān)聯(lián)函數(shù)逐漸下降，并最終趨于一個常數(shù)[8]。本文將光學(xué)中的HBT干涉理論運用到聲場的HBT干涉中，傳感器接收的信號包括聲源的聲音信號和環(huán)境背景的干擾噪聲，由于聲源信號具有內(nèi)稟相干性，會通過HBT干涉表現(xiàn)出來，而噪聲信號無內(nèi)稟相干性。兩個傳感器接收到的聲源信號的乘積(即HBT關(guān)聯(lián)函數(shù))會隨著相位差的變換而變化，當(dāng)相位差為0°時，關(guān)聯(lián)函數(shù)為最大值，相關(guān)性最大；相位差變大時，關(guān)聯(lián)函數(shù)逐漸下降。因此，當(dāng)相位差為0°時，關(guān)聯(lián)函數(shù)最大值處就是聲源的位置所在。

在此以簡單的三角陣為例建立模型來對聲場的HBT干涉進行說明。如圖1所示，傳感器陣列由陣元M1、M2和M3組成，S表示聲源，以其中一個傳感器M2為原點建立直角坐標(biāo)系，傳感器陣列的坐標(biāo)為Mj(xj，yj)(j=1，2，3)。假設(shè)有一聲源，其坐標(biāo)為(X，Y)，發(fā)射信號，并將信號傳送到傳感器陣列中。圖1中長方形區(qū)域為聲源可能出現(xiàn)區(qū)域，并以間距L向該區(qū)域進行掃描，計算對應(yīng)位置HBT關(guān)聯(lián)函數(shù)，最終確定聲源的位置。

圖1 HBT干涉定位示意圖

傳感器接收的聲源信號Pi為

(i=1,2,3)

(1)

式中：Ni為環(huán)境噪聲；A為聲源發(fā)射的振幅；ri為傳感器Mj與聲源之間的距離；v為聲速；φi為傳感器網(wǎng)接收到的聲源信號初相位。將光場HBT干涉原理運用在聲場中，聲源發(fā)出的聲信號傳遞到傳感器陣列中，將陣列內(nèi)的傳感器接收的信號兩兩進行HBT關(guān)聯(lián)函數(shù)計算。

此時求得歸一化關(guān)聯(lián)函數(shù)為

(j=1,2,3;k=1,2,3;j

(2)

式中ΔT為聲源到傳感器陣列的時延。

最終求得歸一化HBT關(guān)聯(lián)函數(shù)的值為

C=C(ΔT12)×C(ΔT13)×C(ΔT23)

(3)

2 HBT干涉定位仿真

根據(jù)以上所建模型對實際環(huán)境下的聲源定位進行模擬仿真，坐標(biāo)如圖1所示,對距離為5 000 m的目標(biāo)進行仿真定位。根據(jù)實際環(huán)境因素，假設(shè)傳感器接收到的環(huán)境噪聲為白噪聲，且為理想的各向同性均勻的噪聲場。由于高頻率聲波在遠距離傳播時衰減較快，而低頻率聲波衰減較慢，因此，低頻率的聲波是遠距離定位時傳感器接收到信號的主要頻率成分，故在此假設(shè)傳感器接收到的聲源信號的頻率成分為500 Hz和315 Hz，其預(yù)設(shè)聲源的位置坐標(biāo)為(5 000，400)，在這種假設(shè)前提下利用Matlab進行空間定位仿真分析。

2.1 傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真分析

由于聲源的定位距離遠，陣內(nèi)間距小，使得聲源與傳感器陣元之間的交匯角很小，當(dāng)其對應(yīng)的3個關(guān)聯(lián)函數(shù)相乘時，定位分辨率降低，僅能確定聲源的方向，而無法確定聲源的具體位置。因此，要確定一個聲源的位置，必須有兩個以上的陣列，從而形成多條相交的直線，交點即為聲源位置所在。傳感器基陣位置坐標(biāo)及其對應(yīng)仿真定位結(jié)果如表1所示，表中A、B和C表示三角形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間距為500 m、800 m和1 000 m時基陣的坐標(biāo)位置及仿真結(jié)構(gòu)。圖2(a)為兩個三角形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2(b)～(d)為不同基陣坐標(biāo)下對應(yīng)的仿真結(jié)果。

表1 基陣坐標(biāo)位置及仿真結(jié)果

圖2 傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果

由圖2可見，基陣的結(jié)構(gòu)不同，每個小陣的間距也均不相同。采用A、B、C基陣結(jié)構(gòu)仿真均可以準(zhǔn)確地找到聲源(5 000，400)的位置，與實際聲源位置完全吻合。由仿真結(jié)果可看出，改變基陣的陣內(nèi)間距和陣間間距均可以準(zhǔn)確地找到聲源的位置，因此，此法對傳感器位置要求不高，不需要固定間距。

2.2 不同信噪比下的仿真結(jié)果

下面分別對信噪比為1和0.04的情況下進行仿真分析。圖3是信噪比為1和0.04時傳感器陣元輸出時域模擬信號。圖4是信噪比為1和0.04時空間定位的模擬仿真結(jié)果。由圖3、4可以看出，在信噪比為1時可以準(zhǔn)確地找到聲源的位置(5 000，400)，與實際聲源位置吻合；在信噪比為0.04的情況下，通過仿真仍可以找到聲源的位置為(5 150，425)，雖然存在誤差，但與實際聲源位置(5 000，400)基本吻合。

圖3 傳感器陣元輸出時域模擬信號

圖4 空間定位的仿真結(jié)果

由以上仿真分析可知，利用聲場HBT干涉原理使用6個傳感器(兩個基陣)可以精確地對聲源進行定位。這種定位方法對陣內(nèi)間距和陣間間距要求不高，且在信噪比為0.04時仍能較準(zhǔn)確地找到聲源的位置。由此，采用聲場HBT干涉原理進行空間定位，可以實現(xiàn)遠距離、低信噪比下的精確定位。

3 空氣中定位實驗

根據(jù)HBT干涉目標(biāo)定位原理和仿真進行空氣中目標(biāo)定位實驗，進一步驗證了HBT干涉空間定位原理的正確性。圖5為空氣實驗方案圖。建立如圖1所示的坐標(biāo)系，聲源S為遠處連續(xù)不斷發(fā)出的聲音信號，麥克風(fēng)放大器接收聲音信號，3個在同一直線位置放置的麥克風(fēng)放大器組成一個陣列，將兩個相距為L的陣列利用STM32最小系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)同時采集[9]，最后利用Matlab進行數(shù)據(jù)分析，找到聲源的位置。

圖5 實驗方案

空氣定位實驗如圖6(a)所示，其數(shù)據(jù)采集裝置如圖6(b)所示。利用麥克風(fēng)放大器模塊對遠處聲源級為82 dB連續(xù)播放的聲音信號進行數(shù)據(jù)采集，在采樣率為100 000的前提下，同時采集6組數(shù)據(jù)，每組采樣2 000個點。將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進行HBT關(guān)聯(lián)函數(shù)計算，最終得到聲源的位置。

圖6 空氣中目標(biāo)定位實驗與數(shù)據(jù)采集

在此分別對坐標(biāo)為(16.0，1.2)、(19.1，1.2)、(34.2，1.1)和(42.0，1.2)處的聲源進行測試，實驗結(jié)果如圖7所示，其結(jié)果分別為(16.1，1.1)、(19.2，1.1)、(34.1，0.9)和(41.9，1.1)?？紤]到麥克風(fēng)安裝精度、周圍環(huán)境噪聲、風(fēng)速和聲音在空氣中衰減較快(在42 m處聲源衰減到53 dB)等的影響，最終實驗結(jié)果與實際聲源位置基本吻合，在42 m位置處可以準(zhǔn)確地找到聲源的位置，其定位誤差為0.1 m。

圖7 空氣中聲源定位測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于聲場HBT干涉空間目標(biāo)定位方法，通過計算任意兩個陣元輸出信號的HBT關(guān)聯(lián)函數(shù)來確定聲源的位置。在不同基陣結(jié)構(gòu)和信噪比下對聲源定位進行模擬仿真。仿真結(jié)果表明，2個傳感器陣列，6個傳感器可以準(zhǔn)確地找到5 000 m處聲源的位置。在信噪比為1和0.04時均可以較準(zhǔn)確地找到聲源的位置。最后通過空氣實驗對聲源級為85 dB的聲源進行不同距離的定位實驗，在42 m處可以準(zhǔn)確地找到聲源的位置，誤差為0.1 m。