淺析基于仿生學的聲源定位技術的發展現狀

王順利　洪強　黃歡

摘 要 目標聲音識別技術是語音識別的一個重要分支，它極大地提高了人們的工作效率，生活質量和服務質量。但由于語音變化范圍大，聲音識別系統精確匹配困難，聲音容易收到音質，速度和背景噪聲的影響而降低識別能力。隨著語音信號處理技術的深入研究，結果發現：人的聽覺系統對聲音配合物具有獨特的優勢，它可以準確地提取目標聲特性并辨別聲音的方向和內容，基于仿生學的聲源定位技術越來越受到人們的關注。

關鍵詞 仿生學 聲源定位技術 聽覺系統 聲音信號 目標聲音

中圖分類號：TB51 文獻標識碼：A

1仿生學概覽

1.1仿生學的發展歷史

通過研究可以得出結論：一些植物和動物具有類似的功能，實際上超出人們關于這方面設計的方案需要。人們通過模仿動物和植物在技術方面得以借鑒，是一個突破。仿生學是一門交叉學科，如工程仿生技術和生物科學相結合，近年來發展迅速。對于合理應用生物學原理，不僅要找到一些長期存在難題的解決方案，而要使這個方案完全適應自然的需要。

仿生學研究生物學的系統結構，研究功能，信息控制與能量轉換等的優良特性，而這些特性應用于實際系統，用于改善現有的技術，并建立一個全面的自動設備，工藝，技術架構配置系統等。從生物學的角度看，仿生學的一個分支，屬于生物學的應用。仿生學作為一門獨立的學科，在1960年9月問世，仿生學在俄亥俄州空軍基地的第一次會議在美國空軍航空局召開了。從第二十世紀50年代以來，人們已經認識到，生物系統是一個開發新技術的主要途徑。人們通過數學，化學，物理和數學模型，對生物系統的研究，并促進生物學快速發展，而研究生物功能的機制也取得了很大的進步。

1.2仿生學的應用背景

仿生學已經進入了各行各業技術創新和技術革命的前沿，如在自動控制，航空，航海等軍事領域都獲得了不少的成就。科學家的靈感來自與旗魚狀突起的長針，開發超音速飛機在高速飛行時產生刺耳聲的屏障；從鯨魚的形狀發展潛艇；通過模仿蝙蝠的行為使雷達可以在任何時間根據脈沖參數的目標檢測方法和調整方向，提高雷達的靈敏度和抗干擾的能力。

仿生學的任務是研究生物系統與生俱來的能力和原則，為這些能力與原則創建相應的數學模型，并設計嶄新的設備，開展了一個全新的應用空間。聽覺仿生模型應該更全面地描述目標聲識別過程。現在大多數的研究沒有在本質上對聽覺系統創建出一個合理的模型，特征提取不能夠完全體現出聲音的特點。因此，在聽覺系統模型幾何部分中建立一個更精確的語音識別系統是發展的必然趨勢。

1.3機器人聽覺系統的應用

隨著電子技術和數字信號處理技術的發展，仿人機器人（如圖1所示）的研究有了新的進展，機器人聽覺與視覺系統是智能機器人的重要標志，已成為機器人研究領域的一個重要研究方向，是實現機器人與環境的相互作用和人機交互的一個重要手段。因為聲音繞過障礙，聽覺可以由機器人多信息采集系統來實現功能，利用機器人的其他感官來彌補其他傳感系統無法通過非透明障礙物的缺點。此外，對于模擬人類聽覺系統的研究，也表明了人類對于聽覺生理能力所掌握的知識程度很高。

2聲源定位技術的發展

2.1聲源定位技術的應用背景

聲源定位技術是對具有聽力功能的耳朵進行仿真，利用聲波傳感裝置接收聲音，聲音信號通過電子設備進行處理，從而實現并定位聲源識別的檢測，定位和聲源目標跟蹤。利用被動聲來定位，并對多通道信號分析與處理，得出一個或多個在平面或在空間域中的聲源空間坐標，以獲得聲源位置。

聲源定位技術具有隱蔽性強，適應性強的優點，成本低，逐漸受到世界各國的重視，在軍事和民用領域具有廣闊的應用前景。在水下感知目標，在危險的環境中應用程序來完成戰場掃雷工作。聲探測技術在許多控制裝置中得到廣泛使用，如聲雷達，被動聲納，語音識別系統，視頻會議系統和輔助收聽系統等。它可用于揚聲器麥克風陣列波束的方向控制，視頻會議系統的對準；也可用于語音信號的預處理，提供高質量的聲音信號，提高相關的系統功能；檢測管道泄漏的位置，管道泄漏后的聲波振動會沿墻傳播，只要在管道泄漏的地方進聲源振動信號的采集，就可以通過兩個信號時延估計確定泄漏的位置；在電話會議中的聲源定位，語音信號接收不同談話的人，根據不同的傳感器位置接收聲音信息，確定發言人的立場；對于室內監控系統，安裝拾音器在走廊，房間，采集目標方位角接收到的聲音信號，并進一步記錄聲音和圖像目標的信息。聲源定位技術具有應用價值和廣闊的發展前景，值得研究。

2.2聲源定位技術的優勢

聲源定位技術是利用電子裝置來獲知聲音位置的信號處理技術。聲源定位技術可以分為被動聲源定位和主動聲源定位兩種。主動定位包括發送和接收裝置，如雷達發射信號的使用，根據目標的接受波形來判斷的位置。被動聲定位是接收裝置，與傳統的主動聲源定位技術相比，它具有隱蔽性強的優點，不易受電磁干擾。

參考文獻

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