بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، طراحی یک سیستم جهت یاب صوتی اهداف از روی نویز صوتی منتشر شده از آنها مورد بررسی قرار می گیرد. سیستم جهت یاب صوتی با استفاده از نویز صوتی تولید شده توسط اهداف هوایی و زمینی، آنها را شناسایی کرده و به کمک الگوریتم های پردازشی، جهت اهداف را تخمین زده و آنها را ردیابی می کند.
در این مقاله، ابتدا بلوک دیاگرام کلی سیستم مورد نظر شامل دو بخش سخت افزاری و نرم افزاری تشریح گردیده و سپس جزئیات بخش سخت افزاری شامل بردهای الکترونیکی - تقویت کننده، فیلتر و - AGC، آرایه میکروفونی و پردازنده و همچنین جزئیات بخش نرم افزاری شامل الگوریتم های پیاده شده روی پردازنده مورد بررسی قرار می گیرد. در ادامه، برای انتخاب سخت افزار و نرم افزار مناسب، گزینه های مختلف قابل انتخاب را بررسی نموده و در انتها الزامات مورد نیاز طراحی را استخراج و کلیه قطعات، بردها و سخت افزارهای الکترونیکی و همچنین نرم افزارهای مورد نیاز را مشخص نموده و طراحی سیستم جهت یاب صوتی انجام می گیرد.
.1 مقدمه
سیستم های جهت یاب صوتی با استفاده از نویز صوتی تشعشعی اهداف هوایی، زمینی و دریایی در کاربردهای مختلف از جمله سونار پسیو [1]، سونو بویه ها [2]، سیستم های ضد وسایل نقلیه پرنده [3] و سیستم های ضد وسایل نقلیه زمینی [4] کاربرد دارد. در تمام کاربردها، نویز صوتی اهداف توسط آرایه ای از سنسورهای گیرنده - هیدروفون یا میکروفون - دریافت گردیده و با استفاده از الگوریتم های جهت یابی، جهت اهداف تخمین زده می شود. سپس اهداف را ردیابی کرده و هنگام رسیدن هدف به فاصله مناسب، یک سیستم کمکی دیگر فعال شده تا تایید هدف را انجام داده و فرمان انهدام هدف را صادر نماید. در شکل 1 ، ارتباطات مربوط به تمام زیرسیستم های یک سیستم جهت یاب صوتی ضد وسایل نقلیه هوایی و زمینی نشان داده شده است. این سیستم از چهار بخش آرایه میکروفونی، واحد فیلتر و پیش تقویت کننده ، واحد آنالوگ به دیجیتال و واحد پردازش اصلی تشکیل شده است.
آرایه آکوستیکی از تعدادی سنسور صوتی تشکیل شده که معمولا در اطراف یک دایره - آرایه 4 تایی - یا یک مثلث - آرایه سه تایی - قرار گرفته اند - شکل - 2 و جهت یابی و ردیابی اولیه منبع صوتی - هدف - را با استفاده از صدای دریافتی توسط میکروفون ها انجام می دهد و پس از کم شدن فاصله هدف تا مقدار از قبل تعیین شده، به وسیله یک سنسور کمکی دیگر - مانند سنسور ویدئویی - که در مرکز آرایه آکوستیکی قرار می گیرد ردیابی دقیق هدف و تایید آن انجام می شود.
شکل - 1 بلوک دیاگرام سیستم جهت یاب صوتی
شکل - 2 آرایه میکروفونی، پیش تقویت کننده و واحد پردازش سیستم جهت یاب
خروجی آرایه میکروفون بایستی به یک واحد تقویت کننده، کنترل گین اتوماتیک - AGC - و فیلترینگ وارد شود تا سیگنال صوتی هدف، تقویت شده و مولفه های غیر مفید آن حذف و سپس به واحد آنالوگ به دیجیتال جهت نمونه برداری و دیجیتال شدن وارد گردد. در واحد آنالوگ به دیجیتال به طور همزمان از کلیه کانال های ورودی نمونه برداری شده و سیگنال دیجیتال شده میکروفون ها به واحد پردازش اصلی وارد می گردد. واحد پردازش بر اساس الگوریتم های جهت یابی و ردیابی، هدف را آشکارسازی نموده و زاویه حضور آن را استخراج و خروجی را به واحد کمکی - مثلا دوربین - اعلام می کند . سیستم کمکی پس از تایید هدف و استخراج موقعیت دقیق آن، فرمان مورد نظر را صادر می نماید. بطور کلی می توان سیستم جهت یاب صوتی را به دو بخش سخت افزاری و نرم افزاری تقسیم بندی نموده که در بخش های بعدی زیر سیستم های هر قسمت جداگانه مورد بررسی قرار می گیرد.
.2 بخش سخت افزار سیستم جهت یاب صوتی
سخت افزار سیستم جهت یاب صوتی را می توان به چهار بخش - 1 واحد آرایه میکروفونی، -2 واحد تقویت کننده، فیلتر و AGC ، -3 واحد آنالوگ به دیجیتال و -4 واحد پردازش تقسیم بندی نمود.
.3 واحد آرایه میکروفونی
دو موضوع مهم در این واحد بایستی بررسی و تعیین گردد: -1 انتخاب نوع میکروفون و -2 انتخاب آرایش هندسی، تعداد و نحوه چیدمان میکروفون ها. در ادامه هر کدام از این موضوعات بررسی می گردد.
.4 طراحی نوع میکروفون
میکروفون ها یا مبدلهای الکتروآکوستیکی، دستگاه هایی هستند که تغییرات انرژی آکوستیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. همانطور که می دانیم انرژی صوتی از نوع انرژی مکانیکی است و با جرم، محیط الاستیک و نیرو سر و کار دارد. بنابراین حفظ و انتقال انرژی صوتی در برد زیاد امکان پذیر نیست. در صورتیکه اگر این انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل شود هرگونه تغییر و تبدیل روی آن براحتی امکان پذیر می شود.
در صورتی که بخواهیم سیگنال خروجی میکروفون بر حسب فرکانس در باند 20 تا 20000 هرتز خطی باشد راندمان میکروفون بسیار ناچیز خواهد بود. بطوریکه اگر سیگنال بلافاصله درون میکروفون تقویت نشود بر اثر ضعیف بودن دامنه، سیگنال نویز بسیاری وارد شده و عملاً استفاده از سیگنال با کیفیت مناسب، بدون استفاده از تقویت کننده امکان پذیر نمی باشد. بنابراین در طراحی میکروفون بدون استفاده از تقویت کننده سعی می شود راندماننسبتاً، بالا باشد که موجب باریک و ناهموار شدن پاسخ فرکانسی می شود.
میکروفون ها از نظر ساختمان به چند دسته تقسیم می شوند: -1میکروفون های ذغالی، -2 میکروفون های دینامیکی، -3 میکروفون های الکترومغناطیسی، -4 میکروفون های الکترواستاتیک یا خازنی،-5میکروفون های نواری ، -6 میکروفون های پیزو الکتریکی و -7 میکروفون های .mems
برخی از پارامترهای طراحی میکروفون برای یک سیستم جهت یاب صوتی به شرح زیر می باشد:
-1 وسیع بودن پهنای باند فرکانسی
-2 خطی بودن پهنای باند
-3 حساسیت بالا
-4 پاسخ سریع در برابر ارتعاشات ضربه ای
-5 نویز خیلی پایین
-6 کم بودن اعوجاج خروجی
-7 هزینه پایین
-8 کیفیت صدا
-9 ابعاد
با مقایسه میکروفون های فوق از لحاظ پارامترهای طراحی فوق، میکروفون خازنی و میکروفون mems مناسب به نظر می رسد.
