麥克風(fēng)陣列聲源定位算法研究綜述

石婷

【摘 要】基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位是利用麥克風(fēng)陣列拾取聲音信號(hào)，再結(jié)合聲源和陣列結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，得到一個(gè)或者多個(gè)聲源的位置信息，為人們更好地利用聲音提供幫助。麥克風(fēng)陣列聲源定位技術(shù)具有隱蔽性好、不易受干擾等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

【關(guān)鍵詞】麥克風(fēng)陣列；聲源定位；現(xiàn)狀；問題

Research on the Algorithms of Sound Source Localization Based on Microphone Array

SHI Ting

（Engineering University of CAPF， Xian Shanxi 710086， China）

【Abstract】Sound source localization based on microphone array is a method to get the location information of one sound source or several sound sources， by adopting microphone arrays to pick up sound and making use of the relation between sound source and microphone array. It can help people to make better use of sound. Compared with traditional radar localization， Sound source localization based on microphone array is easier to conceal the signals while more difficult to get disturbed. So it is fit for applications in various fields.

【Key words】Microphone Array； Sound Source Localization； Actuality； Problem

1 背景意義

聲音歷來(lái)是人們廣泛使用的信息載體，作為一種重要的信息資源，是信號(hào)與信息處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。而聲音信息采集工具——麥克風(fēng)是其中的一個(gè)研究方向。單個(gè)麥克風(fēng)具有聲音拾取范圍有限和噪聲抑制能力弱等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的語(yǔ)音通信質(zhì)量要求。麥克風(fēng)陣列在時(shí)域和頻域的基礎(chǔ)上增加了空間域，對(duì)聲音信息的處理能力增強(qiáng)，成為眾多高質(zhì)量語(yǔ)音通信應(yīng)用的首選目標(biāo)。

麥克風(fēng)陣列聲源定位是利用麥克風(fēng)陣列拾取高質(zhì)量的聲音信號(hào)，再結(jié)合聲源和陣列結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，得到一個(gè)或者多個(gè)聲源的位置信息，為人們更好地利用聲音提供幫助。相比傳統(tǒng)的雷達(dá)定位技術(shù)，麥克風(fēng)陣列聲源定位具有隱蔽性好、不易受干擾等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。特別是在軍事應(yīng)用方面，現(xiàn)有的麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)已經(jīng)顯示出極大的優(yōu)越性，引起了許多國(guó)家軍方的高度重視。

2 麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)研究概況

近年來(lái)，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位研究一直是非?；钴S的研究課題。許多國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、意大利、以色列和加拿大等相繼開展了這方面的研究工作并卓有成效。研制的很多麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各種場(chǎng)合，發(fā)揮著極其重要的作用。

在軍事及警用領(lǐng)域，美國(guó)、法國(guó)及以色列等國(guó)家多次投入經(jīng)費(fèi)，研究和開發(fā)基于固定麥克風(fēng)陣列的槍聲探測(cè)系統(tǒng)，并在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中展現(xiàn)出出色的探測(cè)能力。AAI公司的PDCue系統(tǒng)將麥克風(fēng)安裝在車輛的四角，可以提供低輪廓和360度的態(tài)勢(shì)感知能力。在任何環(huán)境下，PDCue系統(tǒng)都可以根據(jù)單發(fā)、多發(fā)和點(diǎn)射槍聲迅速定位并跟蹤槍聲來(lái)源。BBN公司研發(fā)的Boomrange系統(tǒng)利用八元球形麥克風(fēng)陣來(lái)進(jìn)行槍口口徑、子彈速度及彈道軌跡的估計(jì)，并能得到狙擊手的距離，且方位角的平均精度為1.2°，俯仰角為3°，距離為1.6%。南加州大學(xué)等學(xué)校針對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)低空直升機(jī)的弱點(diǎn)正積極研發(fā)相關(guān)聲源定位系統(tǒng)，目前已取得較大進(jìn)展。

國(guó)內(nèi)近幾年也在麥克風(fēng)陣列聲源定位方面進(jìn)行了大量研究，受到國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，并已取得了一定的成果。其中炮用立靶聲定位系統(tǒng)列入國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，彈頭落點(diǎn)定位系統(tǒng)和敞開型胸環(huán)靶系統(tǒng)也已通過鑒定并列入國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)。

3 基于麥克風(fēng)陣列聲源定位算法研究現(xiàn)狀

麥克風(fēng)陣列聲源定位是利用麥克風(fēng)陣列拾取高質(zhì)量的聲音信號(hào)，再結(jié)合聲源和陣列結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，得到一個(gè)或者多個(gè)聲源的位置信息。它是陣列信號(hào)處理的一個(gè)新興分支，繼承和發(fā)展了許多傳統(tǒng)的陣列信號(hào)處理算法。

目前廣泛使用的聲源定位算法分為三類：基于波束形成的定位算法、基于高分辨率譜估計(jì)的定位算法和基于到達(dá)時(shí)延差（TDOA： Time Difference of Arrival）定位算法。其中，基于波束形成的定位算法是采用波束形成技術(shù)，調(diào)節(jié)麥克風(fēng)陣列的接收方向，以網(wǎng)格搜索的方式在整個(gè)接收空間進(jìn)行掃描，使麥克風(fēng)陣列所形成的波束對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源，從而獲得最大的輸出功率點(diǎn)。它是出現(xiàn)較早的定位方法之一，盲波束形成技術(shù)是這類算法中新的研究?jī)?nèi)容?；诟叻直媛首V估計(jì)的定位算法用求解陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣的方法獲得空間譜函數(shù)，再由此信息進(jìn)行聲源定位，廣泛使用的算法有MUSIC、ESPRIT、子空間擬合等。

基于到達(dá)時(shí)延差的方法計(jì)算相對(duì)較簡(jiǎn)單，是實(shí)際應(yīng)用最廣泛的一種定位方法，近年來(lái)發(fā)展很快?；ハ嚓P(guān)法是出現(xiàn)最早使用最廣泛的一種時(shí)延估計(jì)算法。布朗大學(xué)于1995年實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用相位變換的時(shí)延估計(jì)算法和線性插值方位估計(jì)算法。1997年新澤西州立大學(xué)采用相位變換法作為時(shí)延估計(jì)和非閉合的方向搜索算法進(jìn)行實(shí)時(shí)的聲源定位。佐治亞理工大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系Yiteng Huang于2001年采用自適應(yīng)特征值分解算法（AEDA Adaptive Eigenvalue Decomposition Algorithm）對(duì)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，用線性校正最小二乘法來(lái)估計(jì)聲源方位。

4 展望

基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位研究最早起源于80年代，近年來(lái)由于其在語(yǔ)音處理方面具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但隨著麥克風(fēng)陣列應(yīng)用的進(jìn)一步加深，也涌現(xiàn)出很多需要研究解決的問題：一是，小孔徑陣列的各種抗干擾研究和聲源定位精度提高。二是，分布式麥克風(fēng)陣列，在任意布陣的情況下，不依賴固定結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲源定位。三是，降低算法復(fù)雜度，提高算法和硬件平臺(tái)的兼容性。隨著研究的進(jìn)一步深入，麥克風(fēng)陣列聲源定位必定會(huì)具備越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]J.Z. Stafsudd， S. Asgari， R. Hudson K. Yao， E. Taciroglu. Localization of short-range acoustic and seismic wideband sources： Algorithms and experiments， Journal of Sound and Vibration， 2008， 312， 74-93.

[2]Valin J M，Michaud F，Rouat J.Robust. localization and tracking of simultaneous moving sound sources using beamforming and particle filtering. Robotics and Autonomous Systems Journal，2007，55（3）：216-228.

[3]J. Millet and B. Balingand. Latest achievements in gunfire detection systems， In proc. of the RTO-MP-SET- 107 Battlefield Acoustic Sensing for ISR Applications， Neuilly-sur-Seine， France， 2006.

[4]Measurement Combination for Acoustic Source Localization In a Room Environment， EURASIP Journal on Audio， Speech， and Music Processing， 2008.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]