高精度声定位装置广泛应用于民用与军事领域。声定位方法主要利用信号到达不同传感器之间的幅值差和时间差。随着传感器间距减小,信号之间的幅值差和时间差都会减小。基于到达声波的时间差来定位的声探测装置,如智能机器人耳,拖曳声呐等,其精度会直接受到麦克风阵列尺寸的限制。因此,在一定尺寸约束条件下尽可能提高声定位系统的性能,尤其是对以低频信号为特征的远距离目标的探测精度,是亟待解决的问题。针对上述不同应用领域出现的声定位需求,需要寻找全新的技术满足该需求。一种原产于美洲的小型寄生蝇,虽然其耳间距非常微小,却具有准确识别蟋蟀(寄主)叫声方位的能力。初步研究表明,该寄生蝇听觉系统的结构存在某种独特的耦合机制,可有效放大接收信号的时间差,等效于将其耳间距放大了数十倍。该机制为我们研制新型高精度声定位系统提供了一种新思路。本文的研究就是在这种背景下展开的。论文主要工作包括以下四个部分。(1)本文在现有的机械、电路耦合模型研究的基础上,提出了算法模型。将模型向高维扩展,提高了耦合模型的适用范围,并验证了该高维算法模型与物理模型具有等效性。揭示了高维耦合模型的固有频率特性,该模型只有两个不同的固有频率,且固有频率的个数不受模型维度的影响。本文推导了模型的声程差放大倍数与固有频率之间的关系,研究发现放大倍数仅和系统固有频率以及声激励频率有关,揭示了耦合放大的本质,并结合激励频率高低仿真分析了合理的放大倍数的选取。(2)在上述耦合模型研究的基础上,本文提出了多级耦合声定位方法。采用了零相移滤波器和移相器等操作,对接收到的信号进行了必要的预处理。讨论了广义互相关法加权函数的选择,匹配了合适的声定位方法。研究并推导了系统的多级耦合放大倍数,该计算方法避免了信号间隔不能超过一个周期的限制。研究了多级耦合迭代次数的控制方法。进一步的,研究了在有噪声干扰的情况下系统的定位能力,针对谐波信号的特征,采用耦合与第一峰值法组合构成的定位方法,能有效降低测试中信噪比的要求,更适合本定位系统。总结得到了多级耦合声定位框架,研究了系统单次和多级定位性能,并进行了对比和总结。(3)在上述多级耦合计算方法研究基础上,从距离和尺寸的角度分析了耦合声定位系统的硬件配置,设计了多级耦合声定位系统,深入研究了该系统的定位能力。讨论了硬件方面阵元的空间布置,包括阵元个数的选择,布置形式,声场条件和传感器的选取等方面。研究了阵列间距的选取范围,多级耦合定位系统的传感器间距比传统阵列间距小,初步实现了麦克风阵列的小型化。(4)搭建了多级耦合声定位实验台,并进行了声定位实验。实验验证了耦合模型的放大特性规律,放大倍数和理论预期一致。考察了多级耦合迭代的有效性,并验证了算法模型多级定位的效果,多级放大能显著提高声定位能力。并在混入了模拟的水下噪声时,该系统仍具有一定的声定位能力。实验结果验证了本文所阐述的理论分析的正确性和建立的多级耦合声定位系统的有效性。