波达方向估计和信号采集的声传感器阵列
摘要：声源信号采集有许多应用，如检测和车辆和建筑物或桥梁，机械或结构的故障信号采集的安全系统，避免碰撞，机器人视觉。本文提出了一种消声室的设计，传感器阵列和分析如何从传感器获得的数据可用于声源信号采集和目标检测。消声室是为了创造一个清洁的环境，从外部噪声和混响回声。开发一个灵活的声传感器阵列平台是一个基于FPGA的数据采集系统。使用这种传感器平台，我们研究估计，与不同的几何形状的源信号采集实验方向和不同数量的传感器。我们还提出了一个敏感性，影响这些实验的结果的精度参数的探讨。
关键词：声源信号采集，超声，声阵列，声成像，声跟踪
1.引言
目前的研究和应用，使用声音和超声检测和分析大量。一些研究的主题是多方通信，免提声的人机接口，电脑游戏，听录音系统，艾滋病，医疗诊断，建筑物或桥梁结构失效分析，以及车辆或飞机机机械故障分析，机器人视觉，导航和自动化[1-10]。在实践中，在现实世界的环境使理论的现实应用显着更多的困难8,11 ] [遇到的大量问题。这包括周围的声音和电气噪声，宽带非平稳信号源的存在，混响回波高频率源的存在，这需要更高的速度波动的系统，和环境的温度和湿度的影响，在声波传播的速度。
这项工作强调声和超声信号采集系统的设计与开发。介绍常用的术语，概念和数学方法。现实世界中的应用问题，上述处理；这包括一个演示如何一个消声室和声学阵列被用来创建一个受控的实验设置中，噪声，混响回声，源的距离和角度，数量和几何形状的传感器可以改变。还提出了一种基于FPGA的微电子机械系统（MEMS）的传感器平台实验。在下面的章节中，我们解释的声源信号采集技术，介绍了该传感器的平台，并与相应的声和超声信号采集性能的实验设置的探讨。
2.背景
声和超声源信号采集是确定声源的位置的过程，如人的扬声器，扬声器或立体声系统，超声换能器的使用两个或多个接收器或麦克风。一个类似但独立的话题是波达方向估计（算法可以）只确定声源的方向而不是它的距离[11]。两种信号采集算法可以可以分解为几种类型。一个区别，可以是二维（2D）源信号采集和三维（3D）算法可以或信号采集算法可以被执行。这仅仅是指只寻找在一个平面声源，即只能水平或垂直，或在全三维空间。另一个考虑源信号采集是近场或远场模型被用于[11]。此外，源信号采集可以被用于执行信号采集信息类型分类。
这可能是源的发射时间和接收机的吸合时间之间的延迟，只有接收器的拾取时间之间的延迟（称为到达时间差，TDOA），或动力信号采集。在这项工作中，当准确地估计使用被动系统时,信息的前两集作为动力的方法不够灵敏。
信号采集算法可以方法也可以用于源信号的分离，可连续或脉冲的振幅，单一或多个振幅，和单频或多频（在这项工作中只有单一的振幅和单频信号源的使用）。最后，信号采集算法可以可以分离的类型的TDOA和功率的算法被使用。脉冲信号的TDOA信号采集算法的基础，可能是一个阈值检测器，决定在一个信号被发送或接收这一点。连续信号的相位是用TDOA信号采集算法可以标准互相关，相位变换广义相关，或其他算法[11]。
在一般情况下，两种信号采集算法可以分为三大步骤：收集数据在多个接收器或发射器，发现相位差和/或到达时间差，计算方向和可能距离声源。两个更复杂的步骤，发现相位差/ TDOA和确定的角距离。如前所述，寻找差异/ TDOA取决于算法的使用导致了大量的方法。从相位信息确定的角度和距离取决于所收集的数据的解释取决于源信号类型等因素众多，正在使用的模型，使用的接收器的数量，无论是2D或3D的估计是，是否正在进行或可以信号采集算法。
3.波达方向估计
几何形状的二维算法可以是如图1所示。这个图中的发射机（TX）发出一个信号。这个信号将通过空气传播的两个接收器（RX1和RX2）。从图中可以看出，由于两个接收机在不同的距离从源信号在不同的时间到达，这被称为时差标记为Τ。基于这种时差，相对于接收器的源的方向可以估计。
