麦克风阵列声源定位算法研究综述

石婷

【摘 要】基于麦克风阵列的声源定位是利用麦克风阵列拾取声音信号，再结合声源和阵列结构之间的关系，得到一个或者多个声源的位置信息，为人们更好地利用声音提供帮助。麦克风阵列声源定位技术具有隐蔽性好、不易受干扰等优势，应用前景广阔。

【关键词】麦克风阵列；声源定位；现状；问题

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

声音历来是人们广泛使用的信息载体，作为一种重要的信息资源，是信号与信息处理领域的一个重要研究内容。而声音信息采集工具——麦克风是其中的一个研究方向。单个麦克风具有声音拾取范围有限和噪声抑制能力弱等缺点，无法满足日益增长的语音通信质量要求。麦克风阵列在时域和频域的基础上增加了空间域，对声音信息的处理能力增强，成为众多高质量语音通信应用的首选目标。

麦克风阵列声源定位是利用麦克风阵列拾取高质量的声音信号，再结合声源和阵列结构之间的关系，得到一个或者多个声源的位置信息，为人们更好地利用声音提供帮助。相比传统的雷达定位技术，麦克风阵列声源定位具有隐蔽性好、不易受干扰等优势，应用前景广阔。特别是在军事应用方面，现有的麦克风阵列声源定位系统已经显示出极大的优越性，引起了许多国家军方的高度重视。

2 麦克风阵列声源定位系统研究概况

近年来，基于麦克风阵列的声源定位研究一直是非常活跃的研究课题。许多国家如美国、法国、意大利、以色列和加拿大等相继开展了这方面的研究工作并卓有成效。研制的很多麦克风阵列声源定位系统已经广泛应用于社会生活的各种场合，发挥着极其重要的作用。

在军事及警用领域，美国、法国及以色列等国家多次投入经费，研究和开发基于固定麦克风阵列的枪声探测系统，并在伊拉克战争中展现出出色的探测能力。AAI公司的PDCue系统将麦克风安装在车辆的四角，可以提供低轮廓和360度的态势感知能力。在任何环境下，PDCue系统都可以根据单发、多发和点射枪声迅速定位并跟踪枪声来源。BBN公司研发的Boomrange系统利用八元球形麦克风阵来进行枪口口径、子弹速度及弹道轨迹的估计，并能得到狙击手的距离，且方位角的平均精度为1.2°，俯仰角为3°，距离为1.6%。南加州大学等学校针对现有雷达系统难以发现低空直升机的弱点正积极研发相关声源定位系统，目前已取得较大进展。

国内近几年也在麦克风阵列声源定位方面进行了大量研究，受到国防科技重点实验室基金和国家自然科学基金的支持，并已取得了一定的成果。其中炮用立靶声定位系统列入国家军用标准，弹头落点定位系统和敞开型胸环靶系统也已通过鉴定并列入国家军用标准。

3 基于麦克风阵列声源定位算法研究现状

麦克风阵列声源定位是利用麦克风阵列拾取高质量的声音信号，再结合声源和阵列结构之间的关系，得到一个或者多个声源的位置信息。它是阵列信号处理的一个新兴分支，继承和发展了许多传统的阵列信号处理算法。

目前广泛使用的声源定位算法分为三类：基于波束形成的定位算法、基于高分辨率谱估计的定位算法和基于到达时延差（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术，调节麦克风阵列的接收方向，以网格搜索的方式在整个接收空间进行扫描，使麦克风阵列所形成的波束对准信号源，从而获得最大的输出功率点。它是出现较早的定位方法之一，盲波束形成技术是这类算法中新的研究内容。基于高分辨率谱估计的定位算法用求解阵列接收信号的协方差矩阵的方法获得空间谱函数，再由此信息进行声源定位，广泛使用的算法有MUSIC、ESPRIT、子空间拟合等。

基于到达时延差的方法计算相对较简单，是实际应用最广泛的一种定位方法，近年来发展很快。互相关法是出现最早使用最广泛的一种时延估计算法。布朗大学于1995年实现了一个实时声源定位系统，该系统采用相位变换的时延估计算法和线性插值方位估计算法。1997年新泽西州立大学采用相位变换法作为时延估计和非闭合的方向搜索算法进行实时的声源定位。佐治亚理工大学电子与计算机工程系Yiteng Huang于2001年采用自适应特征值分解算法（AEDA Adaptive Eigenvalue Decomposition Algorithm）对时延进行估计，用线性校正最小二乘法来估计声源方位。

4 展望

基于麦克风阵列的声源定位研究最早起源于80年代，近年来由于其在语音处理方面具备的独特优势，已经取得了很大的进展，但随着麦克风阵列应用的进一步加深，也涌现出很多需要研究解决的问题：一是，小孔径阵列的各种抗干扰研究和声源定位精度提高。二是，分布式麦克风阵列，在任意布阵的情况下，不依赖固定结构来实现声源定位。三是，降低算法复杂度，提高算法和硬件平台的兼容性。随着研究的进一步深入，麦克风阵列声源定位必定会具备越来越广阔的应用前景。

【参考文献】

[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.

[責任编辑：朱丽娜]