刘梦然，李善强，贾 雯，黄一凡，聂 磊

(湖北工业大学 湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

0 引言

声源定位技术广泛应用于弹药被动声引信、公共场所异常声源定位、植物病害胁迫声源定位、机器人运动定位、低空目标声测无源定位、汽车笛语识别技术、银行安全监控、助听器声源定位等实际环境中[1-3]。目前，基于麦克风阵列的声源定位方法可以分为波束形成、高分辨率谱估计、时延估计[4-6]3类。波束形成法是对传感器接收到的信号进行加权求和，通过调整权重使输出功率最大化，可用于多源定位，但对初值敏感，需要获取背景噪声等先验知识。高分辨率谱估计法是利用传感器信号的相关矩阵先确定方向角，再确定声源目标位置，其计算量相对较大。与以上两种方案相比，基于时间延迟估计定位法具有较高精度，操作过程简单易懂，计算量较小，且在实际应用中具有更好的实时性能，因此得到广泛应用[7]。然而时延估计更适用于单一声源的定位，对周围环境有较高要求，当存在强反射和噪声时，很难获得准确时延，导致定位误差较大。

若能充分考虑多传感器获取信号间的关系，无疑来自声源的信号间理论上应具有最大相关性。这样通过判断相关性即可从背景噪声中识别出声源信号，即使在信噪比很低的情况下也能有较好的定位能力。实际上，这种借助相关性的定位方法已在精密光学测量中得到了应用，即Hanbury Brown-Twiss(HBT)干涉测量法。其原理是通过计算归一化相关函数描述场的相干性[8]来实现高精度的距离测量，Xiao等在2013年采用纠缠光源进行了 HBT量子测距实验, 测量了一段 1 000 m 的光纤, 并达到了百微米级别的精度[9]。可见，其测量原理基于波的传播理论，完全可以应用于声波传播定位中。

若需要声源目标定位系统具有优异的定位性能，故不能只依靠高精度的定位算法，传感器阵列拓扑结构对声源定位效果也有很大的影响。目前，众多学者采用多种方法对定位阵列拓扑结构的优化展开了研究，有禁忌搜索、模拟退火、蚁群、遗传、粒子群和人工神经网络等方法[10-12]。为此，本文基于HBT干涉定位原理对八元L型阵列拓扑结构进行优化，消除阵列拓扑结构中的冗余阵元。

1 声场二阶干涉定位原理

HBT干涉在光学测量中具有超高灵敏的探测特性，光和声音都具有波动性， HBT干涉在声场中同样适用。因此，可以利用声场的HBT干涉特性来定位，当两束声波的相位延迟为0时，其相干性最大。

在平面建立直角坐标系，Ai为麦克风阵元，坐标为(xi,yi)，设声源坐标为(x，y)，如图1所示。

图1 二阶干涉定位原理图

声源到Ai的距离ri为

(1)

每两个麦克风之间的时间差Δτ为

(2)

式中：v为声速;rj为声源到Aj的距离。

t时刻Ai的输出为Li(t),Aj的输出为Lj(t)。由于麦克风阵列接收同一声源信号，信号间存在相干性，任意两个麦克风的相干系数Cij为

(3)

式中：〈·〉为Li(t)与Lj(t+Δτ)的点积；〈Li(t)〉为求Li(t)的模；〈Lj(t)〉为求Lj(t)的模。

麦克风阵列的相干函数为

C=C12×C13×C14×C23×…×Cij

(4)

由式(4)可知,当C最大时，相干性最大，若用matlab对声源目标可能出现的区域进行扫描，则C值最大的点即为声源的位置。

2 阵列结构优化方法仿真分析

基于HBT干涉定位原理，在matlab中建立定位模型并仿真，其中声源位置为(5 m，15 m)。由8个麦克风组成的L型阵列拓扑如图2所示，阵元1～8分别放置在x与y轴的正半轴上，坐标分别为(0，3 m)，(0，2 m)，(0，1 m)，(0，0)，(1 m，0)，(2 m，0)，(3 m，0)和(4 m，0)。八元L型阵列(11111111)仿真定位图如图3所示, 定位结果为(5 m，14.8 m)，误差为1.26%。

图2 L型阵列摆放示意图

图3 L型阵列仿真定位图

对L型阵列拓扑结构的阵元1～8进行编码，位置布放传感器为1，不布放传感器则为0。通过仿真所有组合的定位结果，得到定位误差小于1.26%的最优拓扑个体为：00011011，00101011，10110001，10110010，其定位结果仿真图如图4所示，仿真结果分析如表1所示。

图4 L型阵列最优个体仿真定位图

表1 仿真定位结果分析

3 阵列优化的测试实验及分析

通过实验验证了前面仿真所得阵列优化结果的准确性，以麦克风作为采集声音的传感器，扬声器作为声源，通过麦克风L型阵列拓扑结构对声源进行定位。实验现场图如图5所示。

图5 L型阵列定位现场图

八元L型阵列定位结果如图6所示，定位结果为(5 m，14.8 m)，误差为1.26%。优化阵列00011011，00101011，10110001，10110010的定位结果如图7所示，实验定位结果分析如表2所示。

图6 8元L型阵列定位图

图7 四元优化阵列实验定位图

表2 实验定位结果分析

由表2可知，只有00101011所对应的四元阵列的误差为1.26%，达到与八元L型阵相同的定位效果。因此，经仿真和实验验证后，得到的00101011为最优阵列结构(见图8)。

图8 最优四元阵列00101011结构示意图

4 结束语

本文对麦克风阵列拓扑结构的优化进行了研究，分析了HBT干涉的定位原理及建立定位理论模型。并在matlab中建立定位仿真模型，对八元L型阵列拓扑进行编码及定位仿真，得到4组四元优化阵列拓扑结构。最后，通过声源定位实验，进一步验证四元优化阵列拓扑的定位性能，其中拓扑00101011定位性能达到八元L型阵列的定位效果，验证了该阵列拓扑结构优化法的可行性与有效性。本文的研究将为声源定位技术的发展提供一种新的方法与思路。