本發(fā)明涉及野外聲目標(biāo)探測(cè)識(shí)別領(lǐng)域，尤其涉及一種微孔徑MEMS聲陣列傳感器及其使用方法。

背景技術(shù)：

在野外聲目標(biāo)探測(cè)識(shí)別領(lǐng)域中，傳聲器一直扮演著重要的角色，在具體應(yīng)用時(shí)，又可分為單元傳聲器和多元聲陣列來(lái)完成目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)和識(shí)別分類等任務(wù)。多元聲陣列探測(cè)技術(shù)是海洋探測(cè)的重要手段，已形成了專門(mén)的學(xué)科。針對(duì)野外目標(biāo)，通常應(yīng)用聲陣列或分布式網(wǎng)絡(luò)探測(cè)技術(shù)，兩者的探測(cè)原理是相同的，由空間分布的傳聲器探測(cè)目標(biāo)信號(hào)場(chǎng)的分布及其隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的變化，從而獲得比單傳聲器更遠(yuǎn)的目標(biāo)探測(cè)能力，具有精確的目標(biāo)定位、跟蹤和識(shí)別能力等，從而可提升傳聲器在系統(tǒng)應(yīng)用中的作用，也能為數(shù)據(jù)融合處理提供更精確的目標(biāo)信息。

目前，應(yīng)用于野外聲目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的傳聲器陣列使用是由傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)制造而成的駐極體式傳聲器，機(jī)械加工技術(shù)精度差、穩(wěn)定性不好致使傳感器的功耗高、體積大，重量居高不下。在此情形下，聲陣列的微小型化設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)，在野外復(fù)雜環(huán)境下工作時(shí)性能較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種功耗低、體積小、重量輕的微孔徑MEMS聲陣列傳感器及其使用方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)野外目標(biāo)的監(jiān)控。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供一種微孔徑MEMS聲陣列傳感器，包括依次連接的MEMS聲陣列、聲信號(hào)預(yù)處理器、微控制器和微處理器，其中，

所述MEMS聲陣列包括多個(gè)呈中心對(duì)稱均勻分布的MEMS傳聲器；

所述聲信號(hào)預(yù)處理器包括多路與所述MEMS傳聲器一一對(duì)應(yīng)連接的濾波器、以及與各濾波器分別連接的多通道增益調(diào)節(jié)模塊；

所述微控制器包括相互連接的AD轉(zhuǎn)換模塊和抗虛警模塊；

所述微處理器包括依次連接的目標(biāo)檢測(cè)模塊、信號(hào)增強(qiáng)模塊、分類識(shí)別模塊和DOA估計(jì)模塊。

進(jìn)一步地，所述微控制器還包括：連接在所述AD轉(zhuǎn)換模塊與所述多通道增益調(diào)節(jié)模塊之間的增益控制模塊。

進(jìn)一步地，所述微控制器還包括：連接在所述AD轉(zhuǎn)換模塊與所述抗虛警模塊之間的環(huán)境自適應(yīng)模塊。

優(yōu)選地，所述MEMS傳聲器呈圓形均勻分布。

進(jìn)一步地，所述傳感器包括一信號(hào)處理電路板，所述增益調(diào)節(jié)模塊、微控制器和微處理器設(shè)置在所述信號(hào)處理電路板上；

進(jìn)一步地，所述傳感器包括多塊與所述信號(hào)處理板連接的陣元電路板，每個(gè)所述陣元電路板上設(shè)置一個(gè)所述MEMS傳聲器及與該MEMS傳聲器對(duì)應(yīng)連接的所述濾波器。

優(yōu)選地，所述信號(hào)處理板和所述陣元電路板上均設(shè)有FFC連接器，所述信號(hào)處理板與所述陣元電路板上的FFC連接器之間通過(guò)柔性扁平線纜連接。

優(yōu)選地，所述信號(hào)處理板和所述陣元電路板位于同一水平面上。

本發(fā)明另一方面提供一種使用前述的微孔徑MEMS聲陣列傳感器的目標(biāo)監(jiān)控方法，包括以下步驟：

步驟S1，啟動(dòng)所述MEMS傳聲器、聲信號(hào)預(yù)處理器和微控制器，關(guān)閉所述微處理器，進(jìn)入值守模式；

步驟S2，通過(guò)所述MEMS傳聲器采集聲信號(hào)并將該聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；

步驟S3，通過(guò)所述聲信號(hào)預(yù)處理器對(duì)各所述傳聲器輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波和增益調(diào)節(jié)處理；

步驟S4，通過(guò)所述微控制器將濾波和增益調(diào)節(jié)處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分幀處理并計(jì)算得得一特征比值，而后根據(jù)該特征比值和一預(yù)設(shè)的抗虛警閾值判斷是否有疑似目標(biāo)出現(xiàn)，若判定有疑似目標(biāo)出現(xiàn)，則啟動(dòng)微處理器，進(jìn)入激活模式；

步驟S5，通過(guò)所述微處理器根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)處理，若檢測(cè)到有目標(biāo)出現(xiàn)，則依次執(zhí)行信號(hào)增強(qiáng)處理、分類識(shí)別處理和DOA估計(jì)處理得出目標(biāo)的類別屬性和方向信息，否則，通知所述微控制器關(guān)閉所述微處理器，返回值守模式。

進(jìn)一步地，所述步驟S4還包括：所述微控制器根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)確定下一周期多通道增益調(diào)節(jié)模塊的增益取值。

進(jìn)一步地，所述步驟S4還包括：所述微控制器根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)獲取背景噪聲變化情況，并根據(jù)所述背景噪聲變化情況調(diào)節(jié)所述抗虛警閾值的預(yù)設(shè)值。

通過(guò)采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用了微控制器和微處理器的“雙核”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，微控制器功耗低，外設(shè)接口豐富，可完成各部分組成電路的控制和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低的算法；微處理器計(jì)算資源豐富，彌補(bǔ)了微控制器計(jì)算能力不足，專用于運(yùn)行復(fù)雜度較高的聲信號(hào)處理算法。

(2)采用微控制器和微處理器的“雙核”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，同時(shí)，采用微孔徑的MEMS傳聲器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的駐極體式傳聲器，使得本發(fā)明傳感器整體尺寸減小，可封裝在一個(gè)體積很小的結(jié)構(gòu)件中，野外攜帶和布設(shè)便利，隱蔽性好。

(3)由于MEMS傳聲器的功耗低，而且本發(fā)明設(shè)計(jì)了值守和激活兩種模式，使得本發(fā)明傳感器的整體功耗降低。

(4)微控制器中設(shè)置了環(huán)境自適應(yīng)模塊，使得本發(fā)明傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明微孔徑MEMS聲陣列傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為圖1中MEMS傳聲器的布局示意圖；

圖3為本發(fā)明微孔徑MEMS聲陣列傳感器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明微孔徑MEMS聲陣列傳感器包括依次連接的MEMS聲陣列、聲信號(hào)預(yù)處理器、微控制器4和微處理器5。其中，MEMS聲陣列包括N(N≥4)個(gè)呈中心對(duì)稱均勻分布的MEMS傳聲器1，各MEMS傳聲器1用于采集聲信號(hào)并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。在圖2所示的實(shí)施例中，MEMS傳聲器1優(yōu)選呈圓周分布，為了滿足小型化，圓周的直徑最好小于100mm。聲信號(hào)預(yù)處理器包括N路與MEMS傳聲器1一一對(duì)應(yīng)連接的濾波器2、以及與各濾波器2分別連接的多通道增益調(diào)節(jié)模塊3，濾波器2用以對(duì)相應(yīng)MEMS傳聲器1輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波，增益調(diào)節(jié)模塊3對(duì)濾波后的各路電信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)處理，實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)在增益0～60dB范圍內(nèi)變化，信號(hào)帶寬不小于8kHz。微控制器4包括AD轉(zhuǎn)換模塊、增益控制模塊、環(huán)境自適應(yīng)模塊和抗虛警模塊，其中AD轉(zhuǎn)換模塊用于將增益調(diào)節(jié)處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出；增益控制模塊用于根據(jù)AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)確定下一周期多通道增益調(diào)節(jié)模塊3的增益取值；環(huán)境自適應(yīng)模塊用于根據(jù)AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)獲得背景噪聲變化情況，并根據(jù)背景噪聲變化情況調(diào)節(jié)抗虛警閾值的預(yù)設(shè)值；抗虛警模塊對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分幀處理，然后經(jīng)計(jì)算得出特征比值，并根據(jù)特征比值和前述預(yù)設(shè)的抗虛警閾值判斷是否有疑似目標(biāo)，若判定有疑似目標(biāo)，則啟動(dòng)微處理器5，進(jìn)入激活工作模式。微處理器5包括目標(biāo)檢測(cè)模塊、信號(hào)增強(qiáng)模塊、分類識(shí)別模塊和DOA估計(jì)模塊，其中目標(biāo)檢測(cè)模塊用于根據(jù)AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)判斷是否有目標(biāo)出現(xiàn)；當(dāng)目標(biāo)檢測(cè)模塊判定有目標(biāo)出現(xiàn)后，信號(hào)增強(qiáng)模塊用于提升數(shù)字信號(hào)的信噪比；然后分類識(shí)別模塊根據(jù)信器比提升后的信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行分類識(shí)別，得到目標(biāo)類型；最后DOA估計(jì)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)控。需要說(shuō)明的是，上述增益控制模塊、環(huán)境自適應(yīng)模塊、抗虛警模塊、目標(biāo)檢測(cè)模塊、信號(hào)增強(qiáng)模塊、分類識(shí)別模塊和DOA估計(jì)模塊均可采用已有的算法實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。其中，抗虛警模塊和目標(biāo)檢測(cè)模塊采用的算法分別對(duì)應(yīng)參考文獻(xiàn)[Guo F,Huang J,Zhang X,et al.A Two-Stage Detection Method for Moving Targets in the Wild Based on Microphone Array[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(10):5795-5803.]中的第一級(jí)檢測(cè)算法和第二級(jí)檢測(cè)算法；信號(hào)增強(qiáng)模塊和分類識(shí)別模塊采用的算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[Huang J,Zhang X,Guo F,et al.Design of an Acoustic Target Classification System Based on Small-Aperture Microphone Array[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement,2015,64(7):2035-2043.]；DOA估計(jì)模塊采用的算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[Feng G,Liu H,Huang J,et al.Design of a Direction-of-Arrival Estimation Method Used for an Automatic Bearing Tracking System[J].Sensors,2016,16(8).]。

圖3示出了本發(fā)明微孔徑MEMS聲陣列傳感器的硬件實(shí)施例，其在硬件設(shè)計(jì)上包括一塊信號(hào)處理板6和四塊相同的陣元電路板7，信號(hào)處理板6是直徑約為40mm～80mm的圓板(也可以是面積相當(dāng)?shù)钠渌行膶?duì)稱形狀)，陣元電路板7是尺寸約為12mm﹡10mm的方形板(也可以是面積相當(dāng)?shù)钠渌行膶?duì)稱形狀)。其中，信號(hào)處理板6上設(shè)有增益調(diào)節(jié)模塊3、微控制器4和微處理器5，信號(hào)處理板6上設(shè)有MEMS傳聲器1和濾波器2，各MEMS傳聲器1分別位于相應(yīng)陣元電路板7的幾何中心，并處在以信號(hào)處理板6的幾何中心為圓心的圓周上。在執(zhí)行野外目標(biāo)監(jiān)控任務(wù)時(shí)，為了避免傾斜帶來(lái)DOA估計(jì)誤差，陣元電路板7和信號(hào)處理板6應(yīng)位于同一水平面上。

此外，信號(hào)處理板6和陣元電路板7上均設(shè)有FFC連接器，信號(hào)處理板6上的FFC連接器標(biāo)示為8，陣元電路板7上的FFC連接器由于尺寸偏小未進(jìn)行標(biāo)示。信號(hào)處理板6與各陣元電路板7上的FFC連接器之間通過(guò)柔性扁平線纜9連接。

考慮到野外工作環(huán)境中能源有限，本發(fā)明微孔徑MEMS聲陣列傳感器在工作時(shí)分為值守和激活兩種模式，在值守模式時(shí)，微控制器4的電源關(guān)閉；在激活模式時(shí)，微控制器4的電源打開(kāi)。如圖4所示，當(dāng)未出現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于值守模式，當(dāng)判斷有疑似目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)入激活模式，確認(rèn)無(wú)目標(biāo)或目標(biāo)離開(kāi)后，再次轉(zhuǎn)入值守模式，以實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)化利用。

本發(fā)明的微孔徑MEMS聲陣列傳感器在野外進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)控的方法如下：

步驟S1，啟動(dòng)MEMS傳聲器1、聲信號(hào)預(yù)處理器和微控制器4，關(guān)閉微處理器5，進(jìn)入功耗較低的值守模式；

步驟S2，通過(guò)MEMS傳聲器1采集聲信號(hào)并將該聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；

步驟S3，通過(guò)聲信號(hào)預(yù)處理器對(duì)各傳聲器1輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波和增益調(diào)節(jié)處理，以將該電信號(hào)調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的信號(hào)幅度范圍；

步驟S4，通過(guò)微控制器4進(jìn)行相應(yīng)AD轉(zhuǎn)換處理、增益控制處理、環(huán)境自適應(yīng)處理和抗虛警處理，具體包括：將增益調(diào)節(jié)處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，并根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)確定下一周期多通道增益調(diào)節(jié)模塊3的增益取值，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)獲取背景噪聲變化情況并根據(jù)背景噪聲變化情況調(diào)節(jié)抗虛警閾值的預(yù)設(shè)值，最后對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分幀處理，然后計(jì)算得出特征比值，并根據(jù)特征比值和前述預(yù)設(shè)的抗虛警閾值判斷是否有疑似目標(biāo)，若判定有疑似目標(biāo)，則啟動(dòng)微處理器5；

步驟S5，通過(guò)微處理器5進(jìn)行相應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)處理、信號(hào)增強(qiáng)處理、分類識(shí)別處理和DOA估計(jì)處理，具體過(guò)程：通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)模塊根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)判斷是否有目標(biāo)出現(xiàn)，若檢測(cè)到有目標(biāo)出現(xiàn)，執(zhí)行后續(xù)信號(hào)處理，否則，通知微控制器4關(guān)閉微處理器5的電源；當(dāng)目標(biāo)檢測(cè)模塊判定目標(biāo)出現(xiàn)后，通過(guò)信號(hào)增強(qiáng)模塊提升數(shù)字信號(hào)的信噪比；然后通過(guò)分類識(shí)別模塊根據(jù)信器比提升后的信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行分類識(shí)別，得到目標(biāo)類型；最后通過(guò)DOA估計(jì)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。

以上記載的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。