بخشی از مقاله
چکیده
سیگنالهای صوتی میتوانند توسط افراد، اشیاء متحرک و همچنین بالگردها یا هواپیماها ایجاد شوند. با در نظر داشتن این واقعیت که فرض میدان دور برای اکثر کاربردهای امنیتی و نظامی صحیح است میتوان با استفاده از انواع خوشهبندی آرایهها، سیگنالهای فوق را رهگیری کرد. دو نوع خوشهبندی متداول مورد استفاده در آرایههای میکروفونی خوشهبندی خطی و دایرهای میباشند. نتایج شبیهسازی پاسخ آرایه این دو خوشهبندی نشان داد که آرایههای خطی نسبت به آرایههای دایرهای در رهگیری اشیاء و اهداف متحرک دارای برتری میباشند.
.1 مقدمه
آرایه میکروفونی ترکیبی از چندین میکروفون است که با الگو یا شکل هندسی معینی کنار هم قرار داده شده اند و به صورت یک دستگاه واحد عمل می کنند. با اینکه نزدیک به سه دهه از ظهور آرایه های میکروفونی می گذرد هنوز هم یکی از زمینه های تحقیقاتی قوی در میان پژوهشگران است [3]و .[5] آرایههای میکروفونی قادر به نمونهبرداری فضایی و زمانی از میدان موج میباشند و توانایی تجزیه منابع نقطهای چندگانه مانند رویدادهای ایجادشده در منطقه تحت نظارت رادارند.
در مقابل دستگاههای حسگر لرزهای و تصویری، دستگاههای حسگر صوتی مبتنی بر آرایهها، راهی مناسب برای طراحی دستگاههای UGS است. پارامترهای اصلی که نحوه شکلگیری آرایه میکروفن را مشخص میکنند عبارتاند از: پهنای باند سیگنال صوتی و ویژگی آن، ویژگی محیط صدا و سیگنالهای تداخل ارائه شده در منطقهای که سیستم حسگر صوتی در آن مستقر است. دستگاههای حسگر که حاوی انواع حسگرها و آرایههای حسگر هستند نیز نیاز به توان محاسباتی گستردهای برای پردازش سیگنال آرایه و مسیریابی سیگنالها در شبکه حسگر بیسیم دارند.
نگرانی اصلی در طراحی این آرایهها تعداد میکروفونها و اندازه آرایه میکروفونی است. استفاده از آرایه های میکروفونی با خوشه بندی مناسب میکروفون ها در فضا، برای پردازش سیگنالهای صوتی دریافتی این امکان را فراهمی می آورد تا علاوه بر استفاده از داده های زمانی، از اطلاعات فضایی دریافت شده نیز جنهت استخراج بهتر سیگنال مطلوب و حذف سیگنالهای نویز و تداخل بهره برد .[1]حال به بررسی مسئله موجود و حل و شبیهسازی آرایه میکروفونی خطی و دایرهای و مقایسه آنها میپردازیم.
.2 آرایه خطی و دایرهای یکنواخت
.1 .2 مدل سیگنال آرایه خطی یکنواخت
در اکثر کاربردهای شکلدهی پرتو دو فرض زیر موجب سادگی تحلیل میگردد :
-1 سیگنالها باند باریک هستند.
-2 منابع سیگنال در فاصلهای قرار دارد که فرض میدان دور برای شرایط خاص معتبر است.
بهرغم این واقعیت که فرض میدان دور برای اکثر کاربردهای امنیتی و نظامی مربوط به مسئله شکلدهی پرتو میکروفون صحیح است، فرض باند باریک هرگز صحت ندارد .[4] شکل 1 فرکانس و تصویر فرکانس-زمان سیگنالهای صوتی تولیدشده توسط وسیله نقلیه در حال حرکت را نشان میدهد، که یک سیگنال صوتی باند پهن است. باند فرکانسی اصلی سیگنالهای صوتی را میتوان در فاصله فرکانس بین 1200-60 هرتز شناسایی کرد.
رهگیری رویدادها، بهعنوانمثال امواج صوتی حاصل ازحرکت وسیله نقلیه، مشکل است، زیرا وسایل نقلیه معمولاً در جهتها و مسیرهای مشخصی حرکت نمیکنند. در بسیاری از موارد اولویت اصلی تعیین جهت ورود سیگنالهای صوتی نیست، اما لازم است که نسبت سیگنال به نویز سیگنال ورودی از بخش خاصی به بعد افزایش یابد. برای انجام این امور، میتوان از آرایههای میکروفونی استفاده کرد. در مورد آرایه صوتی، میکروفونها را میتوان در چندین الگو قرار داد. نوع الگوی آرایه به کاربرد کاربر نهایی، پارامترهای سیگنال، پیکربندی سختافزار و نیز الگوریتم پردازش سیگنال استفاده شده برای شکلدهی پرتو و پردازش آرایه سیگنال بستگی دارد.
شکل : 1 - الف - تصویر فرکانسی و - ب - فرکانس-زمان سیگنال صوتی ایجادشده بهوسیله حرکت هدف متحرک زمینی
سه زمینه تحقیق عمده برای پردازش سیگنال وجود دارد:
-1 تشخیص وجود یک سیگنال مزاحم و تعیین تعداد سیگنال.
-2 یافتن جهت زاویه ورود سیگنالهای مضر.
-3 افزایش سیگنالهای مطلوب که از جهت شناختهشده یا ناشناخته ساطع میشوند و سیگنالهای تداخل را مهار میکنند. بهرغم این واقعیت که آرایه یکنواخت خطی - ULA - انتخاب مناسبی برای دستگاههایی که رهگیری آنها بر اساس سیگنالهای باند باریک میباشد نیست یک آرایه خطی یکنواخت را برای شبیه سازی انتخاب میکنیم. ازآنجاکه جهتمندی ULA بهشدت وابسته به فرکانس است، نگرانی اصلی در شبیهسازیها، تعیین محدودیتهای ULA با دریچه کوچک برای کاربردهای رهگیری میباشد. پیکربندی اولیه ULA میکروفونها در شکل شماره 2 نشان داده شده است.
شکل : 2 مدل سیگنالی فرآیند شکلدهی پرتو
مدل سیگنال نشان داده شده در شکل 2 بر این فرض استوار است که یک نمونه از دنباله ورودی گسسته x - t - در هر یک از میکروفونها دارای یک تأخیر - i - و تضعیف - i - در سیگنال مطلوب است که به صورت معادله زیر تشریح میشود:
که در آن N معادل تعداد میکروفونها در آرایه میکروفونی و i معادل ترکیبکننده نویز با ارقام فضایی دلخواه است.
مدل سیگنال را به صورت زیر نیز میتوان نشان داد:
هنگامیکه مقدار تضعیف - i - و مؤلفه نویز - i - حذف میشوند، سیگنال خروجی هر میکروفون برابر با مؤلفه سیگنال منبع s - t- i - ضبطشده توسط میکروفونهای منفرد Mi است. تأخیر سیگنال برای مؤلفه سیگنال منفرد به صورت:
که در آن c سرعت صوت و زاویه ورود سیگنال صوتی است. بردار وزن برای آرایه میکروفونی دارای ضریب مختلط به صورت زیر نشان داده میشود. برای شبیهسازی ULA با دریچه کوچک، فرضهای زیر در نظر گرفته شدند. سیگنال خروجی در معادله 2 ارائه شده و برای عملیات مستقل از داده، وزنها به صورت اسکالر انتخاب میشوند:
الگوی جهتمندی برای آرایه با فاصله برابر خطی و با میکروفونهای مشابه به صورت زیر است:
که در آن اختلاف فاز سیگنال در دو میکروفون مجاور است. معادله زیر مدل ضبط صدای یک میکروفون را بیان میکند:
مستنبط از معادله 5، الگوی جهتمندی به 3 عامل بستگی دارد: -1 تعداد مؤلفههای آرایه N، -2 فاصله بین مؤلفهها d، -3 فرکانس .f
آرایههای سنسوری با مشکل همپوشانی مکانی مواجه میشوند، درنتیجه تأخیر در دو یا چند جهت برای فرکانس داده شده یکسان است.
