基于ECM麦克风的多通道声阵列成像系统、方法和存储介质与流程

基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统、方法和存储介质
技术领域
1.本发明涉及成像领域技术领域，具体涉及一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统、方法和存储介质。


背景技术：

2.常规的声阵列成像系统存在着数据采集系统复杂、体积大的问题，因而被迫降低麦克风咪头数量并且排列更加紧密来达到稳定成像的目的，常见的规则型麦克风阵列有均匀十字型、均匀环型、均匀矩阵型等。除去制造成本较高的问题外，还存在接收面积小，监控范围窄等直接问题；间接缺陷包括因咪头排列紧密而导致接收信号存在干扰较大等问题，所以此种阵列成像帧数较低、传输速率较慢。


技术实现要素：

3.基于上述问题，本发明提供一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统，所述多通道声阵列成像系统包括声传感器阵列、a/d转换设备和数据处理设备；
4.所述声传感器阵列由若干个ecm式麦克风咪头及相应的传感器驱动电路组成，且所述声传感器阵列为多臂螺旋式阵列；
5.所述a/d转换设备与所述声传感器阵列的每一个通道独立电性连接；
6.所述数据处理设备用于处理所述a/d转换设备采集到的声音信号并显示处理结果。
7.进一步地，所述声传感器阵列为多臂螺旋式阵列包括：
8.所述多臂螺旋式阵列采用正五边形设计。
9.进一步地，所述声传感器阵列由至少30个ecm式麦克风咪头组成。
10.进一步地，所述多臂螺旋式阵列的麦克风咪头的分布位置计算方式为：
11.利用第一公式计算麦克风咪头分布位置：
[0012][0013]
其中，n为麦克风咪头总数量，ln为单个麦克风距离阵列中心的距离，n为第n个麦克风分布位置，n＝1,2......,n，l
max
为中间参数，且表达式为第二公式：
[0014][0015]
其中，r0为阵列中心到最近的麦克风的距离，v为半径与曲线切线的夹角。
[0016]
进一步地，所述多臂螺旋式阵列中，靠近阵列中心处的麦克风咪头密度大于阵列中心以外的区域的麦克风咪头密度。
[0017]
进一步地，所述a/d转换设备与所述声传感器阵列的每一个通道独立电性连接还包括：
[0018]
至少8个通道为一组构成采集模块，且所述采集模块之间信号输出保持同步一致。
[0019]
根据本发明的一个方面，还提供一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像方法，所述多通道声阵列成像方法适用于如前任一所述的一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统，所述多通道声阵列成像方法包括：
[0020]
由若干个ecm式麦克风咪头及相应数量的传感器驱动电路组成的多臂螺旋式声传感器阵列接收声源信号；
[0021]
与所述声传感器阵列的每一个通道独立电性连接的a/d转换设备采集所述声源信号；
[0022]
所述数据处理设备用于处理所述a/d转换设备采集到的声音信号并显示成像。
[0023]
根据本发明再一个方面，还公开一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机运行时用于实现如前所述的一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像方法。
[0024]
本发明采用增加ecm麦克风的数量，并结合更加合理的正五边形多臂螺旋式设计，使得声阵列成像系统具有高旁瓣抑制比，采集速率更高，且为了提升高频的动态范围，还在阵列中心放进数目更多的麦克风咪头数量。
附图说明
[0025]
本发明构成说明书的一部分附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
[0026]
图1为本发明实施例中基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统的结构示意图。
[0027]
图2为本发明实施例中正五边形多臂螺旋式排列的声阵列结构示意图。
[0028]
图3为本发明实施例中多通道声阵列成像系统的电路示意图。
[0029]
图4为本发明实施例中多臂螺旋阵列的仿真示意图。
[0030]
图5为本发明实施例中仿真阵列在30khz频率下的波束响应图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0032]
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
[0033]
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0035]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
[0036]
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
[0037]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0038]
实施例一，如图1所示，为一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统，多通道声阵列成像系统包括声传感器阵列、a/d转换设备和数据处理设备；
[0039]
声传感器阵列由若干个ecm式麦克风咪头及相应数量的传感器驱动电路组成，且声传感器阵列为多臂螺旋式阵列；a/d转换设备与声传感器阵列的每一个通道通过信号放大电路独立电性连接；数据处理设备由加装数据采集卡及相应软件支持的计算机终端(如pc)构成，用于通过usb转接器接收a/d转换设备采集到的声音信号并处理，并将处理结果进行展示。
[0040]
在一些实施例中，所述声传感器阵列为多臂螺旋式阵列包括：
[0041]
多臂螺旋式阵列采用正五边形设计，或者采用其他可能实现的各种形状设计。
[0042]
在一些实施例中，声传感器阵列由至少30个ecm式麦克风咪头组成。
[0043]
在一些实施例中，由于在规则型阵列中麦克风之间的排布是等间距，对于均匀十字型和均匀矩阵形阵列，根据空间采样定理要求阵元的间距要小于或等于波长的一半，否则会出现栅瓣的干扰，即：
[0044]
d《λ/2(1)
[0045]
其中d表示麦克风之间的距离，λ表示声波的波长，声学成像的探测的频率越高波束的带宽越窄，十字型阵列在数量需求上变少但依然受到空间采样定理的限制。
[0046]
相同孔径下，在靠近阵列的中心位置麦克风的分布浓度越高能有效的扩大阵列的动态范围dr，但需要满足一定规则才能实现，并非越接近中心麦克风数数目越多就越有效。而螺旋型分布的阵列能在有效面积内调节麦克风的密度分布提升动态范围，并尽可能的保证声阵列的分辨率，因此，本实施例中多臂螺旋式阵列的麦克风咪头的分布位置计算方式为：
[0047]
利用公式(2)计算麦克风咪头分布位置：
[0048][0049]
其中，n为麦克风咪头总数量，ln为为单个麦克风距离阵列中心的距离，n＝1,2......,n，l
max
为中间参数，且表达式为公式(3)：
[0050][0051]
其中，r0为阵列中心到最近的麦克风的距离，v为半径与曲线切线的夹角。
[0052]
在一些实施例中，多臂螺旋式阵列中，靠近阵列中心处的麦克风咪头密度大于阵列中心以外的区域的麦克风咪头密度。
[0053]
在一些实施例中，所述a/d转换设备与所述声传感器阵列的每一个通道独立电性连接还包括：
[0054]
至少8个通道为一组构成采集模块，且采集模块之间保持同步一致。
[0055]
还提供一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统，多通道声阵列成像方法适用于如前任一所述的一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统，多通道声阵列成像方
法包括以下步骤：
[0056]
由若干个ecm式麦克风咪头及相应数量的传感器驱动电路组成的多臂螺旋式声传感器阵列接收声源信号；
[0057]
与声传感器阵列的每一个通道独立电性连接的a/d转换设备采集所述声源信号；
[0058]
数据处理设备用于处理a/d转换设备采集到的声音信号并显示成像，主要由加装数据采集卡及相应软件支持的电脑终端构成。
[0059]
上述任一一种多通道声阵列成像系统的信号放大电路的设计如图3所示，是基于ltc6240cs5芯片的放大器，ltc6240cs5芯片是双通道运算放大器，具有低功耗、低噪声等特性。通过altium designer电路仿真软件搭建基于ep4ce10f17c8芯片组成的fpga信号采集电路，该芯片具有8通道，所以采集速率高。
[0060]
实施例二，还提供一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像方法，多通道声阵列成像方法适用于前述的任一一种基于ecm麦克风的多通道声阵列成像系统，多通道声阵列成像方法包括步骤：由若干个ecm式麦克风咪头及相应数量的传感器驱动电路组成的多臂螺旋式声传感器阵列接收声源信号；与声传感器阵列的每一个通道独立电性连接的a/d转换设备采集声源信号；数据处理设备用于处理a/d转换设备采集到的声音信号并显示成像。
[0061]
对上述实施例中设计的多通道声阵列成像系统中的麦克风咪头排列位置进行仿真试验以验证本发明实施例的效果。依据前述位置计算公式，在matlab中运行代码生成多臂螺旋阵列，采用以下计算参数：
[0062]
zhenlie＝1；
[0063]
radius＝0.8；％阵列半径
[0064]
nelements＝32；％传感器个数
[0065]
[x,y]＝lx(0.03,0.08,5,5)；
[0066]
[xpos,ypos]＝pol2cart(x,y)；
[0067]
生成阵列如图4所示。
[0068]
如图5所示，表示仿真阵列在30khz频率下的波束响应图，经过多次横向比较实验得出，在前述计算参数下，最大旁瓣峰值被压低在-15db左右，主瓣峰值明显高于旁瓣值，且旁瓣数目较少。
[0069]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0070]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。