文献综述
互相关函数在目标定位与探测中的应用研究
1.1研究背景和意义
在各种电子设备高度智能化的今天，目标探测与定位技术成为科研领域中不可缺少的技术。例如，在视频会议中，通过声源定位技术控制摄像头，使其自动转向感兴趣的说话人方向[1] [2]；对于高速行驶的车辆，为避免驾驶员用手去接听电话，车载免提电话应运而生[3] 。然而，当车中坐有多个说话人时，语音识别系统就无法辨别实际命令的来源，此时就需要一种定位系统来提取驾驶员方位的语音，进而对其命令做出响应；助听器[4] 的出现为有听觉障碍的残疾人提供了帮助，基于阵列的语音增强技术利用声源的位置信息进行空间滤波，可以进一步抑制除说话人以外的其他方向的噪声，使得助听器话音更加清晰。在军事领域方面，目标探测与定位技术就被广泛应用于战场侦测系统，甚至在雷达、激光红外等技术并不发达的第二次世界大战期间，人们利用定位系统完成了大量的炮位侦察任务。目标探测与定位技术最为重要的军事应用当属海军舰船和潜艇上的被动声纳系统。用来监视水下战场的情况的被动声纳系统就是运用了目标探测与定位技术，通过侦测水下目标的位置、航向、航速等情报，对这些目标进行定位、识别与跟踪。除了单独侦测以外，目标探测与定位技术还能与雷达、激光、红外等侦测技术相结合，组成多传感器侦测系统，采用信息融合的方法对战场进行全方位，全天候的侦察。
目标探测与定位技术之所以逐渐受到了人们的重视，是因为与其他定位技术相比有其独特的优点[5] [6]：
（1）目标探测与定位技术隐蔽性较高。目标探测与定位技术只是被动地接收目标声源的声音信息，不需要向外发射声波或其他电磁波，因此目标探测与定位系统可以在暗处侦测外界声源的一举一动，而外界却没有办法找到声源定声源位系统的确切位置，甚至不知道它的存在。正是由于很好的隐蔽性，一些潜艇有时并不开启主动声纳，而仅使用被动声纳来侦测目标。
（2）目标探测与定位技术无论从技术还是设备层面，相对如电磁波定位、激光定位等方法来说更容易实现，且更加具有经济实用型，更易推广。
1.2国内外研究概况
1.2.1国内情况
二十世纪八十年代以来，我国纷纷投入大量人力、物力从事目标探测与定位技术的研究。基于麦克风阵列的声源定位是目标探测与定位的一个突出应用。它可以同时采集空间中不同位置的声音信号具有很强的空间选择性，较强的干扰抑制能力，可以灵活地进行波束控制。声源定位技术不但可以提供位置信息，而且它对基于麦克风阵列的语音增强技术具有重要的作用。声源位置的估计对于基于波束形成的麦克风阵列语音增强技术非常重要，只有正确估计目标说话人的位置，麦克风阵列的波束才能准确地指向目标声源，取得好的增强效果。此外，利用声源定位技术，还可以改善基本的盲源分离技术在声音混迭的环境的性能，解决语音信号的重构问题，显著改善恢复的语音信号的质量。所以提高声源定位的性能，对于提高基于麦克风阵列的语音信号处理的性能具有非常重要的意义。在声波到达时间差目标探测与定位方法中,时延估计的算法有很多,可分为广义互相关函数(GCC)法、最小均方(LMS)自适应滤波器法、互功率谱相位(CSP)法和基于高阶统计量的双谱时延估计法等四种方法。这四种方法各有优缺点，并根据自身特点融入于各行各业的目标探测与定位的应用中。在软件方面，人们普遍采用阵列信号处理的方法来进行目标探测与定位，相关的算法也是层出不穷，这些算法大体上可分为三类[7] [8] [9]：基于可控波束形成器的算法、基于高分辨率谱估计的算法、基于声音到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）的算法。基于可控波束形成器的算法，是对阵列采集到的声音信号进行空间滤波，增强声音入射方向的信号，抑制其他方向的信号。通过加权求和的方法形成波束，通过各种方法使波束的输出功率达到最大，从而得到目标的位置。基于高分辨率谱估计的算法，是求各路声音信号相关矩阵的空间谱，利用其中的空间信息来估计声源的位置[10] [11]。基于声音到达时间差的算法，是利用声音信号到达不同声音传感器之间的时间延时，即到达时间差来估计声源的位置。与前两种方法相比，这种方法原理更简单，更容易实现，计算量小，可进行实时处理，是目前使用最为普遍的目标探测与定位算法[12] [13]。
1.2.2国际情况
发达国家很早就开始将目光投向了目标探测与定位技术，并对其做了大量的研究。国内外许多知名的研究机构和大学，如贝尔实验室、卡耐基梅隆大学的语音实验室、布朗大学的人/机系统实验室、日本的NIT 人类接口实验室等都对麦克风阵列系统进行了深入研究。空间听觉技术也已经应用于众多领域。许多知名的研究机构和大学如美国航空航天局（NASA）、欧洲空间技术中心、日本的 NIT 人类接口实验室、麻省理工学院媒体实验室、马里兰大学、加州大学、威斯康星大学 Madison 分校神经生理系和新加坡国立大学等都对空间听觉技术进行了深入研究。
1.3主要内容
1.3.1目标探测与定位的基本方法
利用时延估计的目标探测与定位是最常用的一种方法。时延估计的算法有很多,大致可以分为：广义互相关函数(Generalized Cross Correlation,GCC)法、最小均方(LeastMean Square,LMS)自适应滤波器法、互功率谱相位(Crosspower Spectrum Phase,CSP)法和基于高阶统计量的双谱时延估计法等四种方法。
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