بخشی از مقاله
چکیده
سیگنال آکوستیک تولید شده توسط اجسام متحرك با تأخیر زمانی در حسگرهاي قرار گرفته در یک آرایه دریافت میشود و میتواند به عنوان راهکاري براي تعیین موقعیت لحظهاي آن، مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله ردیابی اهداف متحرك با دو روش مورد بررسی قرار میگیرد. در روش اول با استفاده از تاخیر زمانی به دست آمده میان سیگنال دریافت شده توسط حسگرها زاویه لحظهاي جسم متحرك نسبت به آرایه تعیین میشود. در این روش باید به این نکته توجه نمود که سیگنال نویز داراي ماهیتی ناهمبسته است و این در حالی است که سیگنال تولید شده از پدیدههاي ثابت داراي همبستگی است.با بررسی همبستگی سیگنال حسگرهاي مختلف در آرایه حسگر، میتوان تأخیر زمانی سیگنالهاي دریافتی را تعیین نمود. در مرحله بعد با استفاده از تابعی غیرخطی از تأخیر زمانی به دست آمده از طریق تابع همبستگی، زاویه لحظهاي پدیده صوتی مشخص میشود.
در روش دوم از روش شکلدهی پرتو استفاده میشود که اساس آن تاخیر دادن سیگنالهاي دریافتی حسگرهاي مختلف براي فازهاي مشخص بر اساس موقعیت جغرافیایی آنها و محاسبه مجموع سیگنالها میباشد. بدیهی است که مقدار انرژي سیگنال حاصل به ازاي فاز منبع تولید صوت بیشینه خواهد بود. زیرا در این فاز سیگنالها مانند هم خواهند بود و مجموع سیگنالهاي حسگرها دامنه قوي خواهد داشت. ساختار انتخاب شده براي روش اول، آرایهاي با سه حسگر با هندسه مثلث متساويالضلاع و فرکانس نمونهبرداري 65536 هرتز بوده است. همچنین براي شکلدهی پرتو از دو آرایه خطی متقاطع با هفت و نه حسگر با فرکانس نمونهبرداري 44100 هرتز استفاده شده است. نمونه برداري با حسگر در فضاي آزاد انجام گرفت. دادههاي به دست آمده از آزمایش عملی، با استفاده از روشهاي بیان شده، پردازش شدهاند و نتایج به دست آمده نشان میدهد که سیگنال صوتی قابلیت ردیابی وسایل نقلیه متحرك را دارد.
کلمات کلیدي: پردازش سیگنال آکوستیک ؛ تأخیر زمانی؛ همبستگی سیگنال؛ شکلدهی پرتو.
1.مقدمه
تشخیص هواپیماهاي کوچک یک مسئله مهم است که به واسطه اندازه کوچک، سطح مقطع راداري محدود و سرعت پایین به صورت بصري و یا توسط حسگرهاي راداري مشکل است. از جمله راهکارها براي حل این مشکل استفاده از آرایهاي از حسگرهاي اکوستیک است. اندازه آرایه آکوستیک به اندازه هواپیما بستگی ندارد و وابسته به صداي موتور آن است. بنابراین، میتواند به عنوان روشی موثر براي تشخیص وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین ارائه شود. سیگنال صوتی ساتع شده از اجسام به صورت دایرهاي از منبع منتشر میشود. از جمله روشهاي یافتن موقعیت اجسام با استفاده از صداي آنها، میتوان به دو روش باند پهن و شکلدهی پرتو اشاره نمود. در این مقاله به دنبال اعمال روشهاي بیان شده بر دادههاي واقعی و بررسی امکان ردیابی وسیله متحرك توسط سیگنال صوتی ساتع شده از آن خواهیم بود.
در روش باند پهن از تاخیر زمانی سیگنال دریافت شده در حسگرها استفاده میشود. با توجه به اینکه سیگنال نویز ماهیتا ناهمبسته است، میتوان از همبستگی میان سیگنال حسگرها براي تعیین تاخیر میان آنها استفاده نمود .[1-5] از آنجا که سیگنال تولید شده توسط پدیده ممکن است شامل تنهاي هارمونیکی قوي سوار شده برروي یک جزء تصادفی پهن باند باشد [6-7]، استفاده از روش همبستگی متقابل استاندارد براي تخمین زمان تأخیر، موجب غیر قابل حل شدن مسأله میشود [8-9]، که البته به کارگیري روش همبستهسازي متقابل عمومیشده1 با پیش فیلتر کردن خروجیهاي حسگر پیش از گرفتن همبستگی متقابل بر این مشکل غلبه میکنند . بعد از استخراج تاخیرها، میتوان با استفاده از هندسه جغرافیایی حسگرها در آرایه، فاز وسیله متحرك را نسبت به محور مفروض به دست آورد.[10] در این مقاله آرایش مثلث متساويالاضلاع استفاده شده است. نتایج پردازش دادههاي تست روند قابل قبولی براي فاز لحظهاي وسیله نقلیه دارد.
روش دیگر براي ردیابی وسیله متحرك استفاده از روش شکلدهی پرتو است .[11] ایده اصلی این روش به بیان ساده تاخیر دادن سیگنالهاي دریافتی حسگرهاي مختلف براي فازهاي مشخص بر اساس موقعیت جغرافیایی آنها و محاسبه مجموع سیگنالها می-باشد. بدیهی است که مقدار انرژي سیگنال حاصل به ازاي فاز منبع تولید صوت بیشینه خواهد بود. زیرا در این فاز سیگنالها مانند هم خواهند بود و مجموع سیگنالهاي حسگرها دامنه قوي خواهد داشت. براي این روش نیز از حسگرهاي بسیار ساده در دو خط عمود بر هم با 7 و 9 حسگر در هر محور استفاده شده است. با استفاده از این روش نیز میتوان فاز لحظهاي وسیله نقلیه را نسبت به محورهاي مفروض به دست آورد.مقاله پیش رو بدین صورت سازماندهی شده است: در بخش سوم، مباحث تئوري و چگونگی تخمین فاز لحظهاي به روش پهن باند مورد بررسی قرار خواهد گرفت و نتایج حاصل از پردازش ارایه میگردد. در ادامه روش شکلدهی پرتو براي آرایه خطی بیان شده و نتایج پردازش سیگنالها ارایه میگردد. در انتها به جمعبندي مطالب خواهیم پرداخت.
2.روش پهن باند
در این بخش ابتدا به بیان مباحث تئوري خواهیم پرداخت و در ادامه نتایج حاصل از تست عملی ارایه میگردد.
1,2اصول روش پهن باند
مکانیابی اهداف ثابت با استفاده از سیگنال صوتی صادر شده از آنها به وسیله آرایهاي از حسگرها انجام میشود. تأخیر زمانی میان دریافت سیگنال آکوستیک وابسته به موقعیت جغرافیایی حسگرها و پدیده است. اگر آرایهاي از N حسگر را درنظر گرفته و براي مثال حسگر اول را به عنوان مرجع قرار دهیم، حسگر 1 در مرکز و حسگر m در - xm , ym - ، 2 m N ، واقع شدهاست. در زمان
، منبع در موقعیت - x, y - و در فاصله - Rn - از حسگر n، 1 n N است. به علت تأخیر انتشار، سیگنال ساطع شده در زمان در حسگر n در زمانی دیرتر t - n - به صورت زیر دریافت میگردد:
که در رابطه - 1 - ، c سرعت صوت در محیط است. با تعریف زمان تأخیر میان حسگر 1 و - m1 - m به صورت m1 - t - t - m - t - 1 - و با بهرهگیري از رابطه - 1 - خواهیم داشت:
این در حالی است که قدر مطلق m1 با زمان مورد نیاز براي صوت براي اینکه از حسگر 1 به حسگر m یا بر عکس منتشرشود، محدود شده است، یعنی که در آن dm1 x2m y2m 1 / 2 فاصله جداسازي میان دو حسگر میباشد.
