摘 要: 时延估计是声源定位常用的方法 多途效应严重影响声源信号时延估计性能，传统方法难以克服 提出一种基于广义加权的平均幅度差函数 ( ) 时延估计方法，利用改进的 方法提高对多途效应的抑制，通过广义加权方法降低算法的噪声敏感性 仿真及实验表明，对于窄带信号，该方法能够获得比传统广义互相关方法更高的时延估计性能，估计结果的误差减小，稳定性能提高
关键词: 声源定位; 时延估计; 多途效应; 平均幅度差函数; 广义加权函数
　　( )时延估计 ( ) 是声 源定位中常用的一种方法［］，需要解决的基本问题是准确迅速地估计和测定两个接收传感器收到同一声源信号之间的时间延迟，其 性 能 会 影 响 声 源定位的 性 能［］时 延 估 计 的 方 法 有 很 多 ，常 见 的有广义互相关方法及其改进方法［ ］自 适 应 滤波［ ］方法互谱相位方法［］等 多途效应是声源定位中需要解决的一个关键问题，由 于 声 源 信 号传播过程 中 的 反 射 叠 加，接 收 信 号 中 存 在 大 量 与直达波相 关 的 拷 贝，此时不再满足广义互相关方法的假设 条 件，基于广义互相关方法的估计性能会下降 互谱相位法对采样的频率和观测时间有较高的要求，实时性较差，且由于多途效 应 导 致 功率谱不平坦，互谱相位的谱函数不再为线性，估 计性能下降 自 适 应 滤 波 方 法 计 算 量 大，对 系 统 硬件要求较 高，不适于实时性要求较高的场合 综上，传统方法在多途效应影响下的时延估计性能下降［］，本文针对窄带信号，提出一种基于平均幅度 差 函 数 () 的广 义 互 相 关 方 法，克服多途效应及相关干扰信号的影响，提高时延估计性能
　　广义加权的 时延估计方法
　　平均幅度差函数［］定义为( ) ( ) ( ) ( )其中( ) 为离散化的声源信号采样序列，采用短时处理技术加方窗，得到( ) ( ) ( ) ( )其中 ( ) ( ) ( ) ， ( )其他{式( ) 中 的 均 值 系 数 不 影 响 对 函 数 的 分 析 特性，在式( ) 中被省略方法是一种快速算法，多用于实时语音处理系统中，该方法从计算量及准确性等方面都优于广义互相关方法［］对于两路传感器采集的声源信号 ( ) ( ) ， 为( ) ( ) ( ) ( )则两路信号的时延估计为该 函 数 取 得 极 小值时的时刻，可由下式求得［］( ) ( )为了提高对多途效应的抑制能力，对 的方法进行改进，如下( ) ( ) ( ) ( )
　　即对采集信号前一帧的第二部分当前帧后一帧的第一部分进行延拓，实现对直达波信号的增强，而削弱多途反射信号，通过 的谷值可以判断直达波的到达时刻设信号( ) 为零均值高斯信号， 结果的期望值为:{ ( ) }( ) ( ){ }［ ( ) ］ ( )其中 { ( ) } 表示采集信号 ( ) 的能量，( ) { ( ) ( ) } 是信号 ( ) 和( ) 的互相关函数 式( ) 表明 方法对环境噪声是敏感的，导致时延估计性能受噪声影响较大为提高算法的抗噪声能力，本文在进行运算之前对采集信号 ( ) 和 ( ) 进行白化处理，提出基于广义加权的 改进方法，得到一种新的时延估计函数如下( )( )( )( )其中 为一个小的正数，以防止分母为零 ( )为基于相位变换的广义互相关函数，表示为( ) ( ) ( )( )( )( ) 取为相位变换加权函数 则时延估计结果为( ) ( )通过对传感器采集到的声源信号进行上述运算，取函数的极值点，即可得到多途效应下声源信号的时延估计算法性能分析为了验证本文方法与常用的广义互相关方法的时延估计性能，进行了实验室仿真与实验研究通过不同多途情况下的仿真，对估计结果的平均误差及均方根误差( ) 进行比较 声源信号采用 正弦波信号，以该信号作为发射信号，则接收信号为发射信号的衰减，并含有相位的畸变，同时进行多路反射信号的叠加，最后加入噪声 接收信号表达式为( ) ( ) ( ) ( )其中( ) 为模拟的发射信号，( ，，) 为各路信号的接收时延利用随机数发生器产生随机的时延值，然后将模拟信号延迟后叠加，形成多途信号 通过改变模拟接收信号中多途路径的多少，来比较各种方法在不同多途下的性能实验中，多途路径数分别取 ，各种方法的时延估计结果平均误差如图 所示时延估计结果的 比较如图 所示由图 可见，不同多途下正弦信号时延估计的平均误差的比较结果中，本文方法能够获得更高的估计准确性 图 表明在不同多途下信号时延估计的稳定性，本文提出的方法的 比广义互相关方法小，随着多途数量增加，估计结果的稳定性优于广义互相关方法 仿真实验表明基于 的 广义互相关方法在多途影响下的时延估计性能更高为了验证本文方法对实际信号的时延估计性能，进行了实验研究 实验中，在试验水池中采用一个水声发射换能器发出 的门控正弦信号，利用放置于试验水池内的两个水声换能器接收该信号 采集信号如图 所示 图中显示了信号的时域波形及其时频图，从图中可以看到，换能器在收到直达波信号之后，由于侧壁底面等的反射，多途信号也相继被接收，同时在接收换能器处产生叠加现象，叠加信号甚至超过直达波信号，这对于两路接收信号的时延估计带来很大影响图 为对上述多途信号进行时延估计的结果图( ) 为采用广义互相关得到的估计结果，图( ) 为采用本文方法得到的结果 从图中可以看出，广义互相关结果难以直接得到时延估计值，而本文方法则能够在时延估计值对应的时刻得到尖锐的峰值，提高了估计结果的准确性
　　结论
　　对于模拟的正弦信号，广义互相关方法的突出优点在于估计结果的鲁棒性较好，对噪声具有一定的抑制能力，但是在多途情况下，其性能也会变差，该方法对多途效应的抑制能力不够好 本文针对窄带信号的时延估计，基于 的广义互相关方法则利用了广义互相关的噪声抑制能力和 的鲁棒 性，提高了时延估计的性能，具 有 更 高 的 准确性
    参考文献:［］吴晓，靳世久，李一博，等基于麦克风阵列声音信号定位方法的研究［］传感技术学报， ，( ) :［］徐耀松，李一博，付铜玲，等有限空间液态场中基于优化的双曲面水声定位方法研究［］传 感 技 术 学 报， ，