第３１卷第４期 ２０１５年４月 科技通报 ＢＵＬＬＥＴＩＮ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１５ 基于声音源头追踪的目标跟踪模型仿真 黄应红 （琼州学院电子信息工程学院，海南三亚５７２０２２） 摘要：随着声源追踪技术不断创新发展，声源定位精准度不断改善，目标定位噪音相互混合的问题逐 步增加。传统的声音目标被动定位算法，利用简单的平面阵实现目标的多点定位，无法满足当前声源 多点定位的噪音相互混合特点的声源计算，使其声源追踪的速度、时间及轨迹定位率降低。为此，提出 一种基于声音源头追踪的目标跟踪模型，通过量测噪声参数对声源目标状态进行精准的检测与识别， 运用交互式定位算法对识别出的声源进行距离时间预测，建立声音源头追踪目标跟踪模型，对声源进 行精准定位的过程。仿真实验表明，基于声音源头追踪的目标跟踪模型仿真，通过模型集设置特点以 及各模型间的交互式跟踪模型算法，在跟踪速度、实时性、缩短跟踪时间及轨迹定位等方面都得到了很 大的提高。 关键词：声源追踪；交互式；精准度；追踪模型 中图分类号：ＴＵ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—７１１９（２０１５）０４—００６１—０３ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｏｕｎｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｈｕａｎｇ Ｙｉｎｇｈｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｏｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓａｎｙａ Ｈａｉｎａｎ ５７２０２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｓｏｕｎｄ ｔｒａｃｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ，ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｅａｃｈ ｍｉｘｅｄ ｎｏｉｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｖｏｉｃｅ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｐａｓｓｉｖｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｉｎｇ ｓｉｍｐｌｅ ｐｌａｎａｒ ａｒｒａｙ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，ｍｏｒｅ ｃａｎ＇ｔ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｍｕｈｉ—ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ｅａｃｈ ｍｉｘｅｄ ｎｏｉｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｓｐｅｅｄ，ｔｉｍｅ ａｎｄ ｆｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｉｓ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｔａｒｇｅｔ ｓｔａｔｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉ￣ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｅｔ ｕｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ— ｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｕｎｄ ｔｒａｃｋ；ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ０引言 分析时间返回值、目标距离相差值、声纳换能器平台定 位精确度［３４１等。但此方法使其声音源头多点定位的噪 使其声源追踪的精确度降低。 现阶段声纳换能器平台的选择是声音目标被动定 音相互混合，为此，提出一种基于声音源头追踪的目标跟踪模 位的关键技术㈦。声音源头目标被动定位原理，是利 通过分析量测噪声参数对声 用目标与声纳换能器平台分布在不同平面的特点，采 型，在跟追踪目标环境中，用繁琐的平面阵实现目标的多点定位，并应用多元平 源目标状态进行精准的检测与识别，运用交互式定位 面阵的声源目标被动定位算法，多方面跟踪声源定位， 算法对识别出的声音源头进行距离时间预测，通过建 收稿日期：２０１４一Ｏ１—１５ 作者简介：黄应红（１９７６一），男，重庆人，讲师，研究方向：计算机应用，人工智能等。 ６２ 科技通报 第３１卷 立的声音源头追踪目标跟踪模型对声源进行精准定 位。仿真实验表明，基于声音源头追踪的目标跟踪模 型跟踪速度快、实时性高、并且在缩短跟踪时间及精准 轨迹定位等方面都得到了很大的提高。 ２基于声音源头追踪的目标跟踪模型 设计 ２．１声音目标状态的检测与识别 声音源头追踪目标指借助目标状态的检测与识 别，对声源目标运动状态进行精准的计量和预测。声 源目标状态的检测与识别可用数学模型表示，且设模 型是多向性的，则不同时间下检测方程公式可表示为： １声音源头目标被动定位原理 声音源头被动声源定位进行追踪的相关参数分析 方法 １主要有三种：时间参数、速度参数、距离定位参 数。多种参数在追踪方法、频宽、结点与影响等因素方 面的介绍如表１所示。 表１声音源头被动声源定位进行追踪的相关参数分析 Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｓｓｉｖｅ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｔｒａｃｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅ 其声音源头被动声源定位的基本原理是： （１）设声音源头目标的坐标位置为Ｎ（ｚ，ｒ），声纳换 能器节点坐标为ＢＩ（ｚｌ，ｒ１），Ｂ２（ｚ２，ｒ２），Ｂ３（ｚ３，ｒ３），…， （ ，ｒｊ），且声纳换能器节点到声音源头目标的距离分别 为ａｌ，ａ２，…，ａｊ，则可得方程组： 二 二辋＝ ｉｌＪ ㈣ 对方程组（１）进行线形变换，整理后得： Ｅ Ｆ （２） 其中： Ｚｊ １－－ ｌ 一 一２ ２２２ 厶，ｔ厶川一，一碍＋ 碍＋ 一＿１Ｊ］ 由最小多乘法解出声音源的坐标位置为： Ｆ （３） 在实际声音源头追踪过程中，处于不同位置的机 阵平台因受环境噪声的影响对音源位置提高定位精 度，在最小定位算式中采用多节点进行定位估算。可 表示为： “ｒ＝ｆＥ￣ＱＥ） Ｅ ＱＦ （４） 式中，Ｑ是平面机阵参数。 ｚ（ｊ＋１）＝Ｙ（ ）Ｚ（ ）＋Ｑ（ ） （５） ＳＵ＋１）＝Ｋ（ ）ｚ（ ）＋ （ ） （６） 其中，变量ｚ（ ）、ｓ（ ）、，（ ）分别表示 时刻声源 追踪目标运动状态、测量及控制输出参数；ｃ（ｊ）和Ｋ（ｊ） 是 时间跟踪目标检测设置的过程；Ｑ ）和ｗＯ）是 时 间跟踪目标系统的噪声和量测噪声参数；ａ为新参数， 由于在声音源头追踪目标检测过程中，目标跟踪模式 具有不确定性，也就是公式（５）及（６）中的算法ｙ（ ）形 式和参数，及检测噪声Ｑ（ｊ）不能确定。声源追踪目标 跟踪检测与识别过程本质上是交互式过程。根据等位 差ｔｔ的变化进行声音辨识和声源检测，按目标状态设置 逻辑调整滤波增益、协方差矩阵以及未知参数，并检测 识别出声源目标状态，由交互式模型算法得到目标的 状态参考值和预测值，从而完成声源追踪目标跟踪功 能。 ２．２目标定位 交互式声源追踪的目标追踪定位算法中用到交互 式定位算法，因此对声音源头进行交互式目标定位。 设 为交互转移矩阵，ｖ（ｊ）为测量参数，Ｐ（ ）为距离差 参数， 为时间差参数，Ｍｑ）为预测方位差参数，Ｉ， ） 为交互定位参数， （ ）测量噪声参数，Ｆ代表可选的控 制输入ｉ的增益。 交互式声源追踪的目标定位进行距离差预测及其 时间差预测，即 ￣（ｊ／ｊ一１）＝ｏｚ０＂一ｌｑ—１）＋Ｆ 一 （７） （ｊ／ｊ一１）＝ｃＯＭ（ｊ一１ 一１） ＋Ｐ（ｊ） （８） 计算交互式转移预测值、预测距离差差及其时间 差分别为： ｉ＞（ ∥ 一１）： ∽ （ 一∥ 一１） （９） ａ（ｊ）＝ ｏ）一 （ 一∥ 一１） （１０） ｓ∽＝ｌ，【 （ （ ）］＝Ｋ（ｊ）Ｍ（ｊｊｌ一１）Ｋ （ ）＋ （ ）（１１） 交互式声源定位跟踪模型增益为： Ｊ（Ｊ）＝ （ 一１）Ｋ （ ）Ｇ （ ） （１２） 状态预估及其距离差参数为： （．『／ ）：ｚ（／ｊ一１）＋．，（ ）ｕ（ ） （１３） 第４期 黄应红．基于声音源头追踪的目标跟踪模型仿真 ６３ （ ／ ）＝（ —Ｊ（ｊ）Ｋ（ｋ））Ｍ（ｊ／ｊ一１） （１４） 如图２所示，与传统方法相比，基于声音源头追踪 状态预估及其距离差参数计算完毕，将上一次计 的目标跟踪模型，声音源头追踪速度快，花费时间短，并且追踪声源的精准度高。 算得到预估参数作为下一次计算的先验预估。此种目 标定位算法比其它跟踪交互算法更准确的定位。声音 源头追踪目标跟踪模型基本原理框图如图１所示。 ４结论 通过对现阶段的声音源头的目标被动定位算法进 行分析，以声源与声纳换能器平台分布在不同平面，利 用简单的平面阵实现目标的多点定位进行研究，其声 输娃ｌ 图１声音源头追踪目标跟踪基本原理构图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏＨｒｅｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ３仿真实验 设跟踪目标从原点（０，０）出发，沿 轴方向和ｙ轴 方向做匀速追踪，速度为１５０ ｍ／ｓ和２５０ ｍ／ｓ。以 轴运 动为追踪分析对象，假设声音源头目标原点位置为（０， ０），开始运动时初速度为５０ ｍ／ｓ。做匀速运动，音源追 踪目标的速度定位模型轨迹如图２所示。分别基于速 度模型、时间模型和速度定位模型的交互式算法环境 中进行音源目标轨迹定位模型目标跟踪仿真。 图２声音源头跟踪目标距轨迹定位曲线图 Ｆｉｇ．２ Ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｇｒａｐｈ 源追踪的速度、时间及轨迹定位降低。提出基于声音 源头追踪的目标跟踪模型仿真，通过对声源目标状态 进行检测与识别，运用交互式定位算法对识别出的声 源进行距离时间预测，通过建立的声音源头追踪目标 跟踪模型对声源进行精准定位。仿真实验证明，本文 设计的声音源头追踪的目标跟踪模型，提升了跟踪目 标的速度，减少目标跟踪的时间差更准确的定位了跟 踪轨迹。音源追踪学科研究的交互式应用十分普遍， 音源目标跟跟踪技术同样可以与其它学科互相结合得 以发展。因此，将音源目标跟踪技术与各学科互相结 合，科学发展也将不断的完善。 参考文献： 『１］ Ｙａｃｉｎｅ ＭＯＲＳＬＹ，Ｍｏｈａｎｄ Ｓａｉｄ ＤＪＯＵＡＤＩ．Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏ ＩＭＭ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｈｉｇｈｌｙ Ｍａ— ｎｅｕｖｅｒｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔｓ［ＪＪ．ＩＡＥＮＧ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｒｎ・ ｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｆｅｂ．２００８，３５：１，ＩＪＣＳ３５——１——０６． 【２］ｌｉｋｅ Ｔｕｋｍｅｎ．ＩＭＭ ｆｕｚｚｙ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ｄａｔａ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ［Ｊ１．Ｅｘｐｅ￣Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｄｅｃ．２００８，３４，１：１ １２４３—１２４９． 【３］ 殷作亮，孟维晓．近场声源方位和距离联合估计算法 吉林大学学报（信息科学版），２００８（３）：２４８—２５２． 【４］ 金乃高，殷福亮，陈晶．基于加权子空间拟合的声源定位 与跟踪方法ｆＪ１．电子与信息学报，２００８（９）：２ １ ３４—２ １ ３７． 【５］ 刘广辉．基于遗传算法的变结构多模型估计【Ｊｊ．电子技术 应用，２００９，５：１４—１６． 【６】戴瑞金，吴敏，吴学军．基于神经网络的机动目标跟踪模 糊Ｋａｌｍａｎ滤波算法【ＪＪ．信息技术，２００８，４；５６—５９． ［７］ Ａｈｍａｄ Ｂａｎａｋａｒ，Ｍｏｈａｍｍａｄ Ｆａｚｌｅ Ａｚｅｅｍ．Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｗａｖｅ— ｌｅｔ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｎｅｕｒｏ——ｆｕｚｚｙ ｍｏｄ－－ ｅｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｏｆｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００８．
