一种微孔径MEMS声阵列传感器及其使用方法技术

本发明专利技术提供一种微孔径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。本发明专利技术的传感器功耗低、体积小、重量轻。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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系统应用中的作用，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。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种功耗低、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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术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，简化了外围电路设计，同时，采用微孔径的MEMS传声器代替传统的驻极体式传声器，使得本专利技术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，而且本专利技术设计了值守和激活两种模式，使得本专利技术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，使得本专利技术传感器的环境适应能力更强。附图说明图1为本专利技术微孔径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为本专利技术微孔径MEMS声阵列传感器的硬件结构示意图；图4为本专利技术的工作状态转换图。具体实施方式如图1所示，本专利技术微孔径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[GuoF,HuangJ,ZhangX,etal.ATwo-StageDetectionMethodforMovingTargetsintheWildBasedonMicrophoneArray[J].IEEESensorsJournal,2015,15(10):5795-5803.]中的第一级检测算法和本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华巍，郭峰，石君，刘建坡，李宝清，袁晓兵，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31