聲源定位技術的研究意義與現狀

王順利　洪強　黃歡

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

關鍵詞 聲源定位 聲納系統 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。其特點是系統本身僅依賴于目標聲源的聲音信號的接收，并實現使用接收到的聲音信號來實現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信息源。

聲源定位技術有著悠久的發展歷史。其最先在聲納系統中使用， 采用電磁波來發現水下目標的位置，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現了聲管，水聲被動定位技術由此誕生，現在有超過500年的發展歷史。但真正意義上的發展，是在第二次世界大戰結束后，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的。在朝鮮戰爭中，聲波檢測技術也顯示出獨特的優越性。

但在一段時間內，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展，導致其曾經被忽視。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，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，微電子技術的發展，現代數字信號處理技術，人工神經網絡，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展迅速，并取得了進一步的實際應用。

在國防現代化方面，聲源定位技術可以用來測量在地面作戰的炮兵陣地；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，在現代軍事戰爭中，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爭的信賴。但隨著現在隱身技術的迅速發展，應用在坦克和直升機上的傳統檢測技術已經喪失作用，在這種情況下，被動聲源探測技術將發揮巨大的優勢。

2聲源定位技術的研究狀況

聲源定位技術經過幾十年的發展后，檢測技術已經有了一定程度的發展，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。現代的聲源定位現代技術中，開發出了功率集成電路，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生聲源位置信息，并將其反饋到爆炸的位置控制系統中，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，已經在開發新的用于大型會議語音增強和濾波技術的產品，部分產品已進入實際應用階段，包括視頻電話，視頻會議系統，電話會議系統。還有在強噪聲環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，大型網站的會議記錄和助聽器等。這些產品應用于各種實際的社會生活場合，已經顯示出巨大的優勢和市場潛力。

先前已被應用于實際的聲源定位算法波束形成法。基于麥克風陣列波束形成法中，陣列輸出是各個陣元輸出的加權總和，然后通過調整加權系數來形成理想的波束，導致在其他方向產生響應。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的限制，這是一個無法解決的棘手難題。

為了解決常規波束形成的信號處理問題，許多研究人員已經做了大量的研究，希望能夠改變這種不利的因素，因此出現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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