CN106526533A - 一种微孔径mems声阵列传感器及其使用方法 - Google Patents

一种微孔径mems声阵列传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微孔径MEMS声阵列传感器及其使用方法，包括依次连接的MEMS声阵列、声信号预处理器、微控制器和微处理器，所述MEMS声阵列包括多个呈中心对称均匀分布的MEMS传声器；所述声信号预处理器包括多路与所述MEMS传声器一一对应连接的滤波器、以及与各滤波器分别连接的多通道增益调节模块；所述微控制器包括相互连接的AD转换模块和抗虚警模块；所述微处理器包括依次连接的目标检测模块、信号增强模块、分类识别模块和DOA估计模块。本发明的传感器功耗低、体积小、重量轻。

Description

一种微孔径MEMS声阵列传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及野外声目标探测识别领域，尤其涉及一种微孔径MEMS声阵列传感器及其使用方法。
背景技术
在野外声目标探测识别领域中，传声器一直扮演着重要的角色，在具体应用时，又可分为单元传声器和多元声阵列来完成目标检测、参数估计和识别分类等任务。多元声阵列探测技术是海洋探测的重要手段，已形成了专门的学科。针对野外目标，通常应用声阵列或分布式网络探测技术，两者的探测原理是相同的，由空间分布的传声器探测目标信号场的分布及其随着目标运动的变化，从而获得比单传声器更远的目标探测能力，具有精确的目标定位、跟踪和识别能力等，从而可提升传声器在***应用中的作用，也能为数据融合处理提供更精确的目标信息。
目前，应用于野外声目标探测领域的传声器阵列使用是由传统的机械加工技术制造而成的驻极体式传声器，机械加工技术精度差、稳定性不好致使传感器的功耗高、体积大，重量居高不下。在此情形下，声阵列的微小型化设计难以实现，在野外复杂环境下工作时性能较差。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种功耗低、体积小、重量轻的微孔径MEMS声阵列传感器及其使用方法，以实现对野外目标的监控。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微孔径MEMS声阵列传感器，包括依次连接的MEMS声阵列、声信号预处理器、微控制器和微处理器，其中，
所述MEMS声阵列包括多个呈中心对称均匀分布的MEMS传声器；
所述声信号预处理器包括多路与所述MEMS传声器一一对应连接的滤波器、以及与各滤波器分别连接的多通道增益调节模块；
所述微控制器包括相互连接的AD转换模块和抗虚警模块；
所述微处理器包括依次连接的目标检测模块、信号增强模块、分类识别模块和DOA估计模块。
进一步地，所述微控制器还包括：连接在所述AD转换模块与所述多通道增益调节模块之间的增益控制模块。
进一步地，所述微控制器还包括：连接在所述AD转换模块与所述抗虚警模块之间的环境自适应模块。
优选地，所述MEMS传声器呈圆形均匀分布。
进一步地，所述传感器包括一信号处理电路板，所述增益调节模块、微控制器和微处理器设置在所述信号处理电路板上；
进一步地，所述传感器包括多块与所述信号处理板连接的阵元电路板，每个所述阵元电路板上设置一个所述MEMS传声器及与该MEMS传声器对应连接的所述滤波器。
优选地，所述信号处理板和所述阵元电路板上均设有FFC连接器，所述信号处理板与所述阵元电路板上的FFC连接器之间通过柔性扁平线缆连接。
优选地，所述信号处理板和所述阵元电路板位于同一水平面上。
本发明另一方面提供一种使用前述的微孔径MEMS声阵列传感器的目标监控方法，包括以下步骤：
步骤S1，启动所述MEMS传声器、声信号预处理器和微控制器，关闭所述微处理器，进入值守模式；
步骤S2，通过所述MEMS传声器采集声信号并将该声信号转换为电信号输出；
步骤S3，通过所述声信号预处理器对各所述传声器输出的电信号进行滤波和增益调节处理；
步骤S4，通过所述微控制器将滤波和增益调节处理后的模拟信号转换成数字信号，然后对转换后的数字信号进行分帧处理并计算得得一特征比值，而后根据该特征比值和一预设的抗虚警阈值判断是否有疑似目标出现，若判定有疑似目标出现，则启动微处理器，进入激活模式；
步骤S5，通过所述微处理器根据所述数字信号进行目标检测处理，若检测到有目标出现，则依次执行信号增强处理、分类识别处理和DOA估计处理得出目标的类别属性和方向信息，否则，通知所述微控制器关闭所述微处理器，返回值守模式。
进一步地，所述步骤S4还包括：所述微控制器根据转换后的数字信号确定下一周期多通道增益调节模块的增益取值。
进一步地，所述步骤S4还包括：所述微控制器根据转换后的数字信号获取背景噪声变化情况，并根据所述背景噪声变化情况调节所述抗虚警阈值的预设值。
通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用了微控制器和微处理器的“双核”结构设计，微控制器功耗低，外设接口丰富，可完成各部分组成电路的控制和实现复杂度较低的算法；微处理器计算资源丰富，弥补了微控制器计算能力不足，专用于运行复杂度较高的声信号处理算法。
(2)采用微控制器和微处理器的“双核”结构设计，简化了***电路设计，同时，采用微孔径的MEMS传声器代替传统的驻极体式传声器，使得本发明传感器整体尺寸减小，可封装在一个体积很小的结构件中，野外携带和布设便利，隐蔽性好。
(3)由于MEMS传声器的功耗低，而且本发明设计了值守和激活两种模式，使得本发明传感器的整体功耗降低。
(4)微控制器中设置了环境自适应模块，使得本发明传感器的环境适应能力更强。
附图说明
图1为本发明微孔径MEMS声阵列传感器的结构框图；
图2为图1中MEMS传声器的布局示意图；
图3为本发明微孔径MEMS声阵列传感器的硬件结构示意图；
图4为本发明的工作状态转换图。
具体实施方式
如图1所示，本发明微孔径MEMS声阵列传感器包括依次连接的MEMS声阵列、声信号预处理器、微控制器4和微处理器5。其中，MEMS声阵列包括N(N≥4)个呈中心对称均匀分布的MEMS传声器1，各MEMS传声器1用于采集声信号并将声信号转换为电信号输出。在图2所示的实施例中，MEMS传声器1优选呈圆周分布，为了满足小型化，圆周的直径最好小于100mm。声信号预处理器包括N路与MEMS传声器1一一对应连接的滤波器2、以及与各滤波器2分别连接的多通道增益调节模块3，滤波器2用以对相应MEMS传声器1输出的电信号进行滤波，增益调节模块3对滤波后的各路电信号进行增益调节处理，实现声信号在增益0～60dB范围内变化，信号带宽不小于8kHz。微控制器4包括AD转换模块、增益控制模块、环境自适应模块和抗虚警模块，其中AD转换模块用于将增益调节处理后的电信号转换成数字信号输出；增益控制模块用于根据AD转换模块输出的数字信号确定下一周期多通道增益调节模块3的增益取值；环境自适应模块用于根据AD转换模块输出的数字信号获得背景噪声变化情况，并根据背景噪声变化情况调节抗虚警阈值的预设值；抗虚警模块对转换后的数字信号进行分帧处理，然后经计算得出特征比值，并根据特征比值和前述预设的抗虚警阈值判断是否有疑似目标，若判定有疑似目标，则启动微处理器5，进入激活工作模式。微处理器5包括目标检测模块、信号增强模块、分类识别模块和DOA估计模块，其中目标检测模块用于根据AD转换模块输出的数字信号判断是否有目标出现；当目标检测模块判定有目标出现后，信号增强模块用于提升数字信号的信噪比；然后分类识别模块根据信器比提升后的信号的频谱特征进行分类识别，得到目标类型；最后DOA估计模块对信号进行DOA估计，进而实现对目标的监控。需要说明的是，上述增益控制模块、环境自适应模块、抗虚警模块、目标检测模块、信号增强模块、分类识别模块和DOA估计模块均可采用已有的算法实现，在此不再赘述。其中，抗虚警模块和目标检测模块采用的算法分别对应参考文献[Guo F,Huang J,Zhang X,etal.A Two-Stage Detection Method for Moving Targets in the Wild Based onMicrophone Array[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(10):5795-5803.]中的第一级检测算法和第二级检测算法；信号增强模块和分类识别模块采用的算法见参考文献[HuangJ,Zhang X,Guo F,et al.Design of an Acoustic Target Classification SystemBased on Small-Aperture Microphone Array[J].IEEE Transactions onInstrumentation&Measurement,2015,64(7):2035-2043.]；DOA估计模块采用的算法见参考文献[Feng G,Liu H,Huang J,et al.Design of a Direction-of-Arrival EstimationMethod Used for an Automatic Bearing Tracking System[J].Sensors,2016,16(8).]。
图3示出了本发明微孔径MEMS声阵列传感器的硬件实施例，其在硬件设计上包括一块信号处理板6和四块相同的阵元电路板7，信号处理板6是直径约为40mm～80mm的圆板(也可以是面积相当的其它中心对称形状)，阵元电路板7是尺寸约为12mm﹡10mm的方形板(也可以是面积相当的其它中心对称形状)。其中，信号处理板6上设有增益调节模块3、微控制器4和微处理器5，信号处理板6上设有MEMS传声器1和滤波器2，各MEMS传声器1分别位于相应阵元电路板7的几何中心，并处在以信号处理板6的几何中心为圆心的圆周上。在执行野外目标监控任务时，为了避免倾斜带来DOA估计误差，阵元电路板7和信号处理板6应位于同一水平面上。
此外，信号处理板6和阵元电路板7上均设有FFC连接器，信号处理板6上的FFC连接器标示为8，阵元电路板7上的FFC连接器由于尺寸偏小未进行标示。信号处理板6与各阵元电路板7上的FFC连接器之间通过柔性扁平线缆9连接。
考虑到野外工作环境中能源有限，本发明微孔径MEMS声阵列传感器在工作时分为值守和激活两种模式，在值守模式时，微控制器4的电源关闭；在激活模式时，微控制器4的电源打开。如图4所示，当未出现目标时，长时间处于值守模式，当判断有疑似目标出现时，转入激活模式，确认无目标或目标离开后，再次转入值守模式，以实现能源的最优化利用。
本发明的微孔径MEMS声阵列传感器在野外进行目标监控的方法如下：
步骤S1，启动MEMS传声器1、声信号预处理器和微控制器4，关闭微处理器5，进入功耗较低的值守模式；
步骤S2，通过MEMS传声器1采集声信号并将该声信号转换为电信号输出；
步骤S3，通过声信号预处理器对各传声器1输出的电信号进行滤波和增益调节处理，以将该电信号调节到一个合适的信号幅度范围；
步骤S4，通过微控制器4进行相应AD转换处理、增益控制处理、环境自适应处理和抗虚警处理，具体包括：将增益调节处理后的电信号转换成数字信号输出，并根据转换后的数字信号确定下一周期多通道增益调节模块3的增益取值，然后根据转换后的数字信号获取背景噪声变化情况并根据背景噪声变化情况调节抗虚警阈值的预设值，最后对转换后的数字信号进行分帧处理，然后计算得出特征比值，并根据特征比值和前述预设的抗虚警阈值判断是否有疑似目标，若判定有疑似目标，则启动微处理器5；
步骤S5，通过微处理器5进行相应目标检测处理、信号增强处理、分类识别处理和DOA估计处理，具体过程：通过目标检测模块根据转换后的数字信号判断是否有目标出现，若检测到有目标出现，执行后续信号处理，否则，通知微控制器4关闭微处理器5的电源；当目标检测模块判定目标出现后，通过信号增强模块提升数字信号的信噪比；然后通过分类识别模块根据信器比提升后的信号的频谱特征进行分类识别，得到目标类型；最后通过DOA估计模块对信号进行DOA估计，进而实现对目标的连续跟踪。
以上记载的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (11)

1.一种微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，包括依次连接的MEMS声阵列、声信号预处理器、微控制器和微处理器，其中，
所述MEMS声阵列包括多个呈中心对称均匀分布的MEMS传声器；
所述声信号预处理器包括多路与所述MEMS传声器一一对应连接的滤波器、以及与各滤波器分别连接的多通道增益调节模块；
所述微控制器包括相互连接的AD转换模块和抗虚警模块；
所述微处理器包括依次连接的目标检测模块、信号增强模块、分类识别模块和DOA估计模块。
2.根据权利要求1所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述微控制器还包括：连接在所述AD转换模块与所述多通道增益调节模块之间的增益控制模块。
3.根据权利要求1所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述微控制器还包括：连接在所述AD转换模块与所述抗虚警模块之间的环境自适应模块。
4.根据权利要求1所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述MEMS传声器呈圆形均匀分布。
5.根据权利要求1所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述传感器包括一信号处理电路板，所述增益调节模块、微控制器和微处理器设置在所述信号处理电路板上。
6.根据权利要求5所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述传感器包括多块与所述信号处理板连接的阵元电路板，每个所述阵元电路板上设置一个所述MEMS传声器及与该MEMS传声器对应连接的所述滤波器。
7.根据权利要求5所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述信号处理板和所述阵元电路板上均设有FFC连接器，所述信号处理板与所述阵元电路板上的FFC连接器之间通过柔性扁平线缆连接。
8.根据权利要求5所述的微孔径MEMS声阵列传感器，其特征在于，所述信号处理板和所述阵元电路板位于同一水平面上。
9.一种使用权利要求1-7中任一项所述的微孔径MEMS声阵列传感器的目标监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，启动所述MEMS传声器、声信号预处理器和微控制器，关闭所述微处理器，进入值守模式；
步骤S2，通过所述MEMS传声器采集声信号并将该声信号转换为电信号输出；
步骤S3，通过所述声信号预处理器对各所述传声器输出的电信号进行滤波和增益调节处理；
步骤S4，通过所述微控制器将滤波和增益调节处理后的模拟信号转换成数字信号，然后对转换后的数字信号进行分帧处理并计算得得一特征比值，而后根据该特征比值和一预设的抗虚警阈值判断是否有疑似目标出现，若判定有疑似目标出现，则启动微处理器，进入激活模式；
步骤S5，通过所述微处理器根据所述数字信号进行目标检测处理，若检测到有目标出现，则依次执行信号增强处理、分类识别处理和DOA估计处理得出目标的类别属性和方向信息，否则，通知所述微控制器关闭所述微处理器，返回值守模式。
10.根据权利要求9所述的目标监控方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：所述微控制器根据转换后的数字信号确定下一周期多通道增益调节模块的增益取值。
11.根据权利要求9所述的目标监控方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：所述微控制器根据转换后的数字信号获取背景噪声变化情况，并根据所述背景噪声变化情况调节所述抗虚警阈值的预设值。
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