聲信號處理的被動目標(biāo)探測定位方法研究

郭颯君

(中國船舶第七一五研究所,浙江杭州,310012)

0 引言

聲音是人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中最常見而且容易被捕獲的信息資源載體。通過聲音拾取方式的合理選擇，采取一定的信號處理技術(shù)，對聲音進行處理不僅可以使得相關(guān)工作人員清晰明了的獲得聲音所表達出來的一系列具體內(nèi)容，而且還可以通過一定的方式方法使其實現(xiàn)目標(biāo)發(fā)生點為坐標(biāo)位置的確定。這項技術(shù)的關(guān)鍵在于如何才能更加有效的采集到待測聲源信號，這也是實現(xiàn)ASL 的第一任務(wù)。聲傳感器網(wǎng)絡(luò)由于在捕獲聲音信號過程當(dāng)中所表現(xiàn)出來的一系列優(yōu)異性能，在這一領(lǐng)域當(dāng)中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。隨著聲音學(xué)科一系列相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展當(dāng)前人們對聲音的需求已經(jīng)不再局限于采集與還原，更注重于利用信號分析技術(shù)獲得待測聲源的位置信息，這些需求進一步促進了ASL 技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前聲源定位技術(shù)由于其獨特的優(yōu)勢在各個領(lǐng)域當(dāng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，因此有必要對其進行研究。

1 被動生源目標(biāo)定位概述

1.1 聲源定位方法

根據(jù)不同監(jiān)測設(shè)備在實際應(yīng)用過程當(dāng)中對于性能的具體要求，ASL 方法主要可分為主動和被動兩種。這兩種方法在實際應(yīng)用中最主要的差異在于前者需要配備信號發(fā)送設(shè)備，后者無需配備。圖1 為被動聲源目標(biāo)定位算法的具體分類。

一般來說主動定位方法在實際應(yīng)用的過程當(dāng)中需要相關(guān)工作人員在監(jiān)測節(jié)點，配備專業(yè)的信號發(fā)送以及接收設(shè)備、節(jié)點設(shè)備，通過其作用的正常發(fā)揮不斷的向探測區(qū)域發(fā)送一些功率相對來說比較較大的聲信號。而該信號通過目標(biāo)反射后被監(jiān)測節(jié)點的接收裝置所接收到，然后通過后續(xù)的信息分析技術(shù)對相應(yīng)的參數(shù)進行全方位的計算工作，進一步確定待探測目標(biāo)的具體坐標(biāo)位置。而被動定位技術(shù)在應(yīng)用的時候，在通過節(jié)點的過程當(dāng)中會對整個帶探測區(qū)域的范圍進行全方位的探測，采集待測目標(biāo)所發(fā)出的聲音信號，并且建立起相應(yīng)的定位模型，進一步求解出待測目標(biāo)的具體位置。

1.2 波束形成法

這種類型的方法在實際應(yīng)用的過程當(dāng)中最主要的就是由不設(shè)在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點接收來自目標(biāo)所發(fā)出的一系列信號，并且對其采用濾波方法進行預(yù)處理，后續(xù)通過加權(quán)求和形成波束，并且進一步估計出聲源可能存在的空間位置，指引波束的傳播方向。最后把多數(shù)達到輸出功率最大時的位置作為探測聲源的實際位置。

2 到達時差聲源定位算法（TDOA）概述

2.1 聲源信號傳播模型

在研究人員利用該算法測定目標(biāo)物體精確位置的時候，如何才能采取有效的方法采集來自于目標(biāo)所發(fā)出的聲信號，是合理利用該算法的首要任務(wù)。而信號的傳播模型的合理使用可以使得相關(guān)工作人員充分的了解到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點和目標(biāo)聲源之間所存在的實際邏輯關(guān)系。圖2 為遠場以及近場模型。

圖2 聲音信號傳播模型

2.2 到達時差聲源定位方法

首先是TDOA 在應(yīng)用過程當(dāng)中所使用到的定位原理。這種算法在應(yīng)用的時候，由于其采用原理的影響相關(guān)工作人員并不需要對目標(biāo)進行相應(yīng)的探測工作，而且接收信號裝置在接收信號的時候可以達到時間同步，并且不會受到基線具體長短的限制，需要為采集設(shè)備投入的資金量比較低，對能量的消耗量少。這些優(yōu)勢的存在使得該算法成為了人們最常用的一種被動聲源定位技術(shù)，其具體的定位原理如圖3 所示。

在圖3 當(dāng)中，為了對目標(biāo)位置近的所處的坐標(biāo)進行精確的判定，需要為其周圍設(shè)置M 個傳感器節(jié)點，從而進一步實現(xiàn)對未知聲源目標(biāo)T 的精確定位。為了方便計算，把聲源位置坐標(biāo)假設(shè)為而將傳感器的節(jié)點坐標(biāo)設(shè)置為通過圖上不難發(fā)現(xiàn)聲源目標(biāo)和節(jié)點之間的具體距離為

圖3 到達時差定位原理示意圖

進一步根據(jù)TDOA 所使用的原理可以建立起包含以下剩余目標(biāo)位置坐標(biāo)的方程式：

為了求得方程式的最終結(jié)果，需要聲音采集裝置對接收到的信號進行全方位的處理之后，計算得到聲源信號到各個傳感器節(jié)點的具體時延,1ir，然后根據(jù)時延與距離差之間的代數(shù)關(guān)系，可得：

通過該方程式的正確求解可以初步實現(xiàn)對目標(biāo)坐標(biāo)位置的估算。通過上式不難發(fā)現(xiàn)，在對TDOA 定位模型進行求解的整個過程當(dāng)中，由于其求解過程所展現(xiàn)出來的一系列特征，其具體的目標(biāo)位置確定問題是一個高度非線性的最大似然估計問題。根據(jù)在求解模型過程當(dāng)中求解方程式方法的不同，可以將這種定位方法進一步劃分為線性閉式解法、非線性迭代算法以及混合法這三大種類。

2.3 時差聲源定位性能的影響因子

在利用該算法進行目標(biāo)位置定位的整個過程當(dāng)中，其最終計算結(jié)果的準(zhǔn)確性難免會受到一些來自外部或者是內(nèi)部因素的影響。這些因素主要包括環(huán)境中所存在的各種噪聲以及監(jiān)測節(jié)點拓撲因子。同時，在對目標(biāo)問題物體進行實際測量的時候，難免會存在各種類型的測量誤差，這些因素的影響最終會導(dǎo)致定位結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)帶來的偏差，在實際對目標(biāo)進行定位的時候，可以在布設(shè)傳感器節(jié)點的過程當(dāng)中，根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的具體需求將各個監(jiān)測傳感器之間的距離設(shè)置在合理的范圍之內(nèi)。通過這樣的方式可以使得最終定位精度得到大幅度提高，而對于傳感器節(jié)點位置所帶來的隨機偏差來說為了減少影響，對最終結(jié)果的影響可以根據(jù)隨機誤差的具體情況設(shè)計一個加權(quán)矩陣，從而減少這一因素對目標(biāo)位置的影響。

3 結(jié)束語

利用聲源確定待測物體的具體空間位置在應(yīng)用的時候觸及到諸多方面的內(nèi)容，有著非常明顯的優(yōu)勢，在各行各業(yè)中占據(jù)了越來越重要的地位，擁有很高的市場應(yīng)用價值。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，相信在今后基于聲信號處理的被動探測技術(shù)將會取得更大的突破。