聲源定位技術的研究意義與現(xiàn)狀

王順利　洪強　黃歡

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

關鍵詞 聲源定位 聲納系統(tǒng) 麥克風陣列 時間差 信號

中圖分類號：TB51 文獻標識碼：A

1聲源定位技術的發(fā)展與應用

被動聲探測定位技術是一種接收聲場信息，利用電子裝置確定目標聲源位置的高新技術，該技術屬于無輻射源目標定位技術，主要用于被動聲探測，沒有主動檢測功能。其特點是系統(tǒng)本身僅依賴于目標聲源的聲音信號的接收，并實現(xiàn)使用接收到的聲音信號來實現(xiàn)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接收聲場信息，依靠聲源信號到達各個陣元的時間差估計以及時間延遲估計來實現(xiàn)被動聲源信號的測向和測距。因此，在已知幾何關系的麥克風陣列情況下，由源信號準確到達每個麥克風陣元時間差的估算，我們可以準確地計算出的位置參數(shù)信息源。

聲源定位技術有著悠久的發(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，水下目標聲信號追蹤法應運而生。1940意大利達芬奇首先發(fā)現(xiàn)了聲管，水聲被動定位技術由此誕生，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)結束后，在水下使用聲納來尋找目標的時候，這種方法也將很容易暴露自己，帶來潛在的危險。因此人們開始了水下被動聲定位的研究。在第一次世界大戰(zhàn)中應用在地面上的被動聲探測技術，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。在第二次世界大戰(zhàn)的時候，聲探測技術是特別重要的，大部分炮兵偵察任務是依賴于聲源定位技術實現(xiàn)的。在朝鮮戰(zhàn)爭中，聲波檢測技術也顯示出獨特的優(yōu)越性。

但在一段時間內(nèi)，隨著紅外，激光的興起，雷達偵察技術在一定程度上影響了被動聲探測源技術的發(fā)展，導致其曾經(jīng)被忽視。但近年來，使用雷達搜索目標面臨的電子干擾，低海拔的突變，隱身技術，反輻射導彈這四大挑戰(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聲探測定位技術的應用價值，這是研究被動聲探測技術的又一個重要的原因。目前，隨著計算機技術，微電子技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術，人工神經(jīng)網(wǎng)絡，自適應陣列處理技術，信號處理技術和其他相關技術，被動聲定位技術再次發(fā)展迅速，并取得了進一步的實際應用。

在國防現(xiàn)代化方面，聲源定位技術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火炮的著落點和空中炸點。在航空航天領域，可以使用聲源定位技術來測量位置。此外，在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，坦克具有防護力強，機動性能好，火力強勁等特點，所以在地面戰(zhàn)斗上能壓制敵人；武裝直升機以其靈活的運作方式和獨特的超低飛行能力也深受戰(zhàn)爭的信賴。但隨著現(xiàn)在隱身技術的迅速發(fā)展，應用在坦克和直升機上的傳統(tǒng)檢測技術已經(jīng)喪失作用，在這種情況下，被動聲源探測技術將發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。

2聲源定位技術的研究狀況

聲源定位技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展后，檢測技術已經(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是碳粒子或冷凝器來接收聲信號，無線或光纖技術傳輸信號，通過點蝕紙袋或墨水磁帶錄音來記錄信號信息，隨后將錄音機連接到計算機上，用計算機處理采集到的信號來分析出結果。現(xiàn)代的聲源定位現(xiàn)代技術中，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不僅應用在坦克和武裝直升機上，而且還應用在智能地雷上。智能地雷能夠找到目標的位置，在正確的時間和地點引爆，從而可以達到最有效的攻擊。智能地雷的原理是依靠聲源定位技術產(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，控制起爆時間。研究這種武器能夠有效打擊地面坦克和低空直升飛機。

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

先前已被應用于實際的聲源定位算法波束形成法?；邴溈孙L陣列波束形成法中，陣列輸出是各個陣元輸出的加權總和，然后通過調(diào)整加權系數(shù)來形成理想的波束，導致在其他方向產(chǎn)生響應。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，結構法，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

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