CC BY
11
УДК 681.884
Акустичний модуль для пеленгування малих л!тальних anapaTiB
Козерук С. О., Коржик О. В., Воловик Д. /., Пуха Г. С.
Нацншалышй тохшчшш ушворситот Укра'ши "Ки'шський иолггохшчшш шститут ¡Moiii 1горя СЛкорського"
E-mail: ekzrk&i.ua
Актуальшсть досл1джувапо! проблеми обумовлепа використаппям безшлотпих малих л1талышх anapaTiB для мобглыгого обслуговуваппя пасолоппя по доставц! пошти. товар!в. забезпечешш спостережеппя i безпекп. Одпочаспо зростае i пебезпека i'x використаппя у акгцях. як! песуть загрозу як державпим. так i прпватпим штересам. Для спостережеппя за об'ектами застосовують пристро! р1зпо! ф1зичпо! дп. як! мають як переваги, так i педолши. Пасивш акустичш засоби спостережеппя забезпечують скргтсть спостережеппя. але мають певелику дальшсть впявлеппя. Збглынити в!дстапь впявлеппя можпа за рахупок удоскопалеппя копструкцш прпйомппх мшрофошшх модул!в та розробкп ефектив-mix алгоритм!в спостережеппя та локал1зацп. В робот! представлено акустичпий модуль у вигляд! тетраедру з мшрофопами розмщепими у його вершинах. Скапуваппя простору по кутовим координатам запропоповапо вести 1з застосувашшм алгоритм!в формуваш1я керовапо! характеристики потужпост! або керовапо! кореляцшпо! характеристики. Для кожного способу приведен! теоретичпе обгруптуваппя алгоритм!в скапуваппя. результати розрахупку характеристик спрямовапост! та оцшки похибки визпачешш кутових координат. Пор1впяппя двох способ!в встаповило перевагу алгоритма керовапо! просторово! корелягцйпо! характеристики (КПКХ) спрямовапост! по завадостшкост та то-чпост! пелепгуваш1я. Були проведет лабораторш досл1джеппя пелепгувашш джерела шуму макетом акустичпого модуля. Не зважаючи па реверберацпо прпмщеппя вдалось перев!рити теоретичш результати та шдтвердпти перевагу алгоритма корелягцйпого формуваппя спрямовапоста. Результати роботи можуть бути використаш для створеппя акустичпих пелепгатор!в та систем локал!зацп шумових об'ектв. Запропоповапий алгоритм КПКХ може бути використапо в засобах мошторипгу для оцшки акустичпих характеристик примщепь. паприклад, для експеримепталыюго визпачешш розташуваппя та оцшки поглипаппя звука огороджуючими копструкгцями. локал1зацп порушепь звуково! 1золяцп примщеппя.
Клюноаг слова: малий лиалышй апарат: акустичпий модуль: пелепгувашш: характеристика спрямо-вапост!
Б01: 10.20535/1ШЭАР.2020.82.25-34
Вступ
Бурхливий розвиток суспшьства веде до використаппя бозшлотних малих лиалышх апаратав (МЛА) для мобшьного обслуговуваппя населения по доставщ пошти. товар1в, забозпочоння спосто-рожоння 1 бозпоки. Опкуеться, що МЛА (иАБи) будуть ввдгравати головиу роль в майбутшх листах в соктор1 малслпрних транспортних послуг. За до-якими розрахунками [1] кшьшеть МЛА тшьки в США до кшця 2025 року будо становити бшыно 30000 одиниць. МЛА 1з фшеованим крилом викори-стовувались аматорами та в1йськовими вже багато рошв. Останшм часом бшын популярними стали МЛА [2] з докшькома олоктричними двигунами. Щ ав1ашйш системи, як правило, прост в управлшш та мають можлившть вертикального зльоту та посадки. зависания та швидкого маневру у просторь
Враховуючи низьку соб1варпсть та оконсличну офо-ктившеть можна очшувати 1х широко застосування громадинами 1 вшськовими. Кр1м позитивно! ремп в розвитку суспшьства, вопи можуть бути викори-сташ зловмисниками для проведения ф1зичних та шборатак на инфраструктуру, приватну 1 державну власшсть.
Актуалышми стають системи для спосторожон-ня за повиряною актившетю МЛА. Серед ввдомих ршмнь [1] пасивш датчики видимого свила, шфрачорвоного випромпиовання, радючастотного мошторипгу, активш радкшокацшш системи 1 пасивш акустичш системи спостережешш. Пристро! використовують р1зш ф1зичш принципи Д11 тому мають як переваги, так 1 нодолши. Оптичш ка-мери спостережешш, доступш по щш 1 прост1 в оксплуаташ1, не функцюнують в складних метео-ролог1чних умовах 1 виста. Використаппя пристроТв
шфрачервоного 1 радючастотного спосторожоння обложено низьким тепловим 1 електромагштним випромшенням МЛ А. Активш систоми радюлока-Щ1 можуть працювати без злачного попршення в погоду, вдень 1 вноч1, забезиечувати виявлоння на ввдеташ дс> дошлькох кшометр1в. Головш подотки ввдеутшеть скритносп спосторожоння, велика три-ватсть часу сканування довкшля та нообхвдшеть великого масиву радюлокацпших зшмкЬ для кла-сифшащ! ав1ащйних об'екпв. Акустичш иасивш систоми сиостереження, ввдносно недорог! 1 прост в експлуатащ!, мають суттевий недемпк не можуть забезпечити велику дальшеть локатзащ1 МЛ А. На-дшна ввдетань виявлоння МЛА становить декшька сотень метр1в та заложить ввд р1вня випромшення МЛ А, р1вня акустичних завад в зош ирийому та метеоролопчних умов. Для покриття великих площ спосторожоння акустичш систоми збираються з багатьох мшрофонних моду.шв. Моду,т систоми мають бути недорогими з иростими 1 надшними алгоритмами спосторожоння, виявлоння 1 класи-фшащ! иаземиих 1 повиряних шумливих об'екпв. Простий акустичиий модуль з використанням всо-направленого мшрофона запроионовано в робота [3]. Алгоритм виявлоння забезпечус иопередшо обробку прийнятих звушв для зменшення акустично! зава-ди. Подальша обробка дае можливкть встановлення шформащйних ознак 1 класифшащ! з використанням банка даних акустичних сигнатур. Поиередня обробка зводиться до фшьтращ! вхвдного звуку у смуз1 частот випромпиовання МЛА (100-1500) Гц. В подалыному розраховусться спектральна щшьшеть иотужноста (СЩП) аудю сигналу у ввдсутноста та за наявноста МЛА. Розрахований по СЩП р1вень акустичнси завади с пороговим для прийняття ршоння про виявлоння МЛА. Шсля очищения спектру аудю сигналу ввд завади виконуеться опе-ращя зворотного перетворення Фур'е. Результат записуеться в банк даних для подалыного вико-ристаиня з метою класифшащ! шумового об'екта. Проведен! польов1 вииробування показали надшно виявлоння дрошв на ввдеташ до 40 м. Подальше удосконалення алгоритму обробки, а також ство-рення систоми на баз1 дошлькох моду.шв повинно, за думкою автор1в, збшынити дальшеть та надШ-шеть виявлоння МЛА. Для оцшки перспективноста внкорнстання акустичних пасивних мотод1в де-тектування був зроблений прогноз максимально! дальноста виявлоння з наперед заданими ймов1р-ностямн виявлоння 1 хибнея тривоги [4]. Отримаш заложноста максимально! дальноста ввд параметру виявлоння для р1зних зиачеиь р1знищ р1вня шуму МЛА та р1вня акустичних завад дають шдставу стверджувати можливкть виявлоння на ввдеташ до дошлькох сотень мотр1в. Дальшеть зростае за умови забезиечення приймачем надшного виявлоння малих сигнатв замаскованих завадою, тобто для параметр1в виявлоння менших за одиницю.
Заетосування корелящйного приймача [5] дало можливкть отримати параметр виявлоння -12 дБ та детектувати квадрокоптер Phantom 4 Pro на ввдеташ 90 м. Дальшеть виявлоння збшынуеться з використанням лшшних MaciroiB мшрофошв, яш забезиечують формування i сканування вузько-го променя характеристики сирямованоста (ХС). Такий ивдхвд, представлений в робот [6], дав хо-poini розультати пеленгування МЛА на ввдеташ до 1000 м. Дискретиий лпийний масив з 24 мшрофошв та застосований алгоритм обробки дозволив синтезу вати ХС з кутом розкриву 1° та забезпечити огляд простору в ceKTopi кутав +/ — 45°. Результат виво-дився па дисплей у виглддд траекторИ руху об'екта в координатах: кут приходу звуку час. Недоль ком пристрою е. заетосування лпийки мшрофошв, налаштовансм на частоту 700 Гц, для просторовсм обробки широкоемугового акустичного вииромь шовання в д1апазош частот (450-3000) Гц. Цим поясшоеться наявшеть штерференцшних смуг па зображенш траекторй' руху. В робот1 [7] представлено розультати виявлоння одномоторного МЛА, з добре вираженою гармошйною структурою спектра випромпиовання. Заетосування двох лшшних MaciroiB мшрофошв, розташованих ортогонально та налаштованих на прийом хвиль з частотою нижчою 500 Гц, дала змогу забезпечити круговий огляд простору на ввдеташ до 2 км. Використав-ши некогерентну обробку дошлькох гармоншних екладових в смуз1 частот (100-200) Гц вдалось побудувати зображення траекторй' руху об'екту з високою кутовою роздшьною здатшетю i малим спотворениям. Заетосування модуля з чотпрьох Mi-крофошв [8], розташованих у вершинах тетраедру, дозволило зменшити час сиостереження довкшля та зробити модуль бшын дешевим. Для виявлоння МЛА був використаний типовий ивдхвд формування ХС затримкою та сумою прийнятих окремими мшрофонами хвиль. Для збшыпення ввдношення спгнал/завада на виход1 формувача ХС включався фшьтр Binepa з передаточного характеристикою розрахованою по експерименталыю визиаченим СЩП сигнала i завади. Дослвдження проводились у чотирьох смугах частот вииромпиовання МЛА: (802000) Гц, (250-2000) Гц, (400-2000) Гц, (800-1700) Гц. Спостер1галась тенденвдя збшыпення ввдеташ виявлоння з шдвшценням смути частот фшьтра. Максимальна ввдетань виявлоння становила 600 м з BiporifliiicTio 99% та хибними справдованнями 3%. Такий результат поясшосться зменшенням велн-чини СЩП фонового шуму з ростом частоти та тривалим часом (4с) окспозицй'. Розрахуиок кута траекторй' польоту МЛА в1вся з використанням фшьтра Кальмана по даним отриманим з формувача ХС. Розультати ощнки азимутального кута сшвпали з иоказниками GPS навЬатора в 60% випробувань з иохибкою в межах 10°. Оцшка кута
шдвшцення. за створдженням автор1в. була погана. Поясшоеться цо наявшстю рсверберащ!' ввд земль
Для виявлоння МЛА в умовах реверберащ!' де-яы автори [9.10] застосовують метод GCC-PHAT. Суть методу GCC-PHAT [11] полягае в наступному. Прийнят мшрофонами М1,М2 сигнали x1(t), x2(t) шдлягають процедур! перетворень Фур'б: та подаль-niifi фшьтращ!'. Спектри сигнатв записують як Х1(ш), Х2(ш). Амшптудно-частотш характеристики (АЧХ) фшьтр1в позначають як G1(u), G2(u). Го-ловна функщя взаемно! корелящ! (GCC) R12(t) знаходиться через зворотне иеретворення Фур'е вщ-фшьтрованого взаимного спектра:
Rl2(T ) =
С
= lj [Xi(u)Gi(u)][X2(u)G2(u)\* exp(jut)dw =
— С
СС
= J ф 12(w)Xi(w)X2*(w)exp(jwt)du,
—С
Фи(и) = Gi (UI)G*2(UI).
Оцшка часу затримки (параметр т) ведеться по максимуму функгщ Ri2(t). Функщя Ri2(t) може матн кшька локалышх максиму м1в. яш приводить до neBipnoi' оцшки т. Амшптуди i вщповщш nacosi затримки цих помилкових максимум1в залежать ввд ряду фактор1в. зазвичай ввд piBiiiB навколишнього шуму i умов роворборащ1. Метою введения ваговсм функщ! Ф12 (ш) е видшення штинного максимуму иад иебажаиими локалышми окстромумами. Ряд таких вагових фуикщй був дослщжоний paiiime та встаиовлеиа оптимальна:
ф12(ш) = 1/1Х1(ш)Х*(ш)1
Така вагова функщя «вщбшюе» спектри сигна-лв мшрофошв. тобто нормус Bci сиектралыи ком-понеити. Шсля процедури нормуваиня зборкаеться тшьки фазова шформащя. Шдхщ достав назву методу фазово! трансформащ! (GCC-PHAT) та застосо-вусться для визначоння часовсм затримки в задачах полонгуваннн звукових джерел. Будучи офоктив-ним у вииадку багатоироменевого пошироння хвиль метод фазово! трансформащ! малоофоктивний при ini3bKifi рсверберащ! та за умов високого р1вня фонового шуму.
Цой шдхщ був застосований для формування коровансм просторово! характеристики потужносп та достав назву методу SRP-PHAT [11.12]. Bin ба-зуеться на обробщ вхвдних сигнал1в методом GCC-PHAT з подалыним складанням отриманих результате. Метод забозпочуе формування характеристики потужноста (ХП) нечутливо! до вииадкових ам-шптудних значень сигналу. Для локацпшем систоми i3 декшькох мшрофошв г = к = 1, 2...N керування
ХП можна записати як:
N
Р(q) = J2 Rik (rn), i = к,
де Р(q) - результуюча потужшеть на виход1 сума-тора; q - вектор управлшня в вибраному напрям-ку; N - кшыйсть míkpoфошв; Rik (тц) - функщя обчислена методом GCC-PHAT mdk акустичними каналами г та к; тц. - очшувана р1зниця часу при-буття плоско! хвшп на мперофони з номерами i та к вздовж вектору уиравлшня q.
Метод SRP-PHAT був застосований в акусти-чних модулях систоми трекування DADS [13] для визначоння його кутових координат. Акустичний модуль мав чотири мшрофони розташоваш у вершинах тетраедру. Алгоритм був роатзований в програмному забезпеченш Lab VIEW, що дозволяло обробляти сигнал в рожихн реального часу. Граф1чний штерфейс вщтворював траекторпо руху об'екта в координатах «азимут»-«кут шдвшцення». Яскравшть елементв зображення треку залежала ввд иотужносп прийнятого сигналу. Експеримен-талыи достджоння проводились р1зними конфигурациями систоми DADS з декшькома типами МЛА в pÍ3iinx иатурних умовах. Наприклад. локатзащя МЛА «Inspiro2» велась тр1ангулящйним методом Í3 застосуванням двох акустичних моду.шв рознесоних на вщетань 60 м i вузла обробки та вщображоння iii-формацп'. Результат локал1защ1 виводився на скран у вигляд1 3D троку одночасно з дор1жкою GPS на-BiraTopa. розм1щоного на ^!ЛА. Максимальна даль-iiicTb трекування становила 250 м за умови прису-tiioctí акустичних шум1в (45-50) дБА. В подалыно-му дослвджувалась система спостероження з трьома акустичними модулями, розмщеними на поверх-iii земл1 в вершинах р1вностороннього трикутника. ^Максимальна в1дстань виявлоння була досягнута в момент знаходження МЛА на нормалях до акустичних баз (cTopin трикутника) i становила 200м з fl0CT0BÍpiiicTi0 50% i 100 м з достов1ршстю 100%. Троба зауважити. що дальн1сть виявлоння суттево змоншувалась в наирямку иродовження акустичних баз. Для пор1вняння систоми DADS з шшими акустичними пристроями иоленгування були проведен! оксперимонти та представлен! результати по лока-л1защ1 ^!ЛА акустичною двор1вновою перехресною матрицею Í3 16 мжрофошв, парабатчною м1кро-фониою системою, мжрофонною «tbiiiitíbroio» з гострою ХС. матрицею мжрофошв з 40 цифрових mí-крофошв на 6a3Í (40*40) см з фазовим скануванням простору. Авторами встановлено поревагу систоми DADS по далыгосп та достов1риост1 виявлоиия i трекування МЛА пород шшими засобами.
Система з двох акустичних моду.шв у вигляд1 тетраодра та вузла обробки шформацп' [14] застосо-вувалась для локал1защ1 ^!ЛА в умовах мшта. Аку-CTii4iii моду.ш розташовувались на даху будинку. Для зменшоння реворберацп' иоворхня и1д модулями
оброблялась поглинаючим звук матор1алом. Оброб-ка сигнатв прийнятих мшрофонами велась з ви-користанням алгоритму GCC-PHAT. Розрахований параметр час затримки сигналу хйж мшрофона-ми, носив випадковий характер. Для забозпочоння достов1рносп оцшки параметра автори заиропону-вали пор1вшовати розраховаш оцшки для деякого часового штервалу спостережения з нормалышм законом Гауса. побудованим для попороднього часового шторвалу. Такий шдйд дав можлившть в1д-кинути xii6iii оцшки параметра. В подалыному для побудови траекторй' руху МЛ А отримаш даш обро-блялись фшьтром Кальмана. Проведен! експери-менти з МЛА Phantom 2 показали можлившть його виявлеиия в умовах мшта па вщсташ 100 м за умови, гцо ввдношеиня сигнал-завада дор1вшоб: -5 дБ. Оцш-ка похибки визначоння траскторй' велась ввдносно показнишв нав1гатора GPS i не иеревигцувала 4 м.
1з розглянутого вигце можна зробити висновок про nepcneKTiiBiiicTb побудови систем локал1защ1 i трекуваиия МЛА па ocnoBi простих акустичиих моду.шв i3 чотирьох мшрофошв розташованих в вершинах тотраодру. Дослщжоння ввдомих i по-шук нових алгоритхйв обробкн шумових сигнал1в прийиятих такими модулями становить мету робо-ти.
1 Алгоритми пеленгування
Для пеленгування МЛА застосуемо акустичний модуль з чотирьох мшрофошв розташованих у вершинах тетраедра (рис. 1). Основа тетраедра piBiio-CTopoiniifi трикутник, навколо якого можна описати коло рад1усом г. Мшрофони знаходяться в вершинах трикутника. IvyTOBi координати мшрофошв
М1,М2,МЗ ßi = 0°, 120°, 240°
1, 2, 3 ввдповвд-
характористикою потужносп (КПХП) акустичнсм системи i3 трьох мшрофошв Ml, М2, МЗ розмщоних в ocnoBi тетраедра.
Реал1зашя способу сканування зводиться до за-тримки i су ми прийиятих мшрофонами сигнал1в:
y(t) = Xi(t — Ti),
(1)
де y(t) - результат та виход1 суматора, Xi(t — п) прийняп i затримаш на час Ti снгналн мшрофошв.
В подальшому розраховусмо потужшсть на до-якому пром1жку часу Т:
Р(Т) = J y(t)2
dt.
(2)
Kepyioni затримки Tj знаходимо i3 сшвввдноше-ння [8ДО]:
р mi
(3)
де р напрямок прииому акустичнсм плоскся хви-л1; Тоз - координата г-го мшрофона; ' - операщя транспонування; с - швидшсть звука.
Для масива мшрофошв у виглддд р1вносторон-нього трикутника, вписаного в коло радоуса г, час затримки Тз для кожного мжрофона розраховуемо ввдносно центру кола як функщю кута керування 9:
г cos(0 — ßi)
1, 2, 3,
(4)
но. Мшрофон М4 розташовано в Bepminii тетраедра.
Рис. 1. Схема розташування мшрофошв у вершинах тетраедра
Пеленгування шумового джерела визначоння азимутального кута 1 кута шдвшцення, будемо вести в наступнш послвдовносп [15]. Спочатку визначи-мо кут приходу звуку в горизонталыий площнш, а поим для встаиовлеиого сектору спостерожеиия ви-значимо кут шдвшцення. Пеленгування ведомо методом сканування довшлля керованою иросторовою
до Д - кутова координата мшрофона; с - швидшсть звука.
Розглянемо приклад сканування простору трьо-ма мшрофонами рстищеними екввдистаитио по колу рад1уса г = 0.4 м, з кутовими коордипатами Д = 0°, 120°, 240°; г =1, 2, 3. Швидшсть звуку приймемо с = 340 м/с. Введемо затримки, розраховаш по ( ) та представлеш па рис. 2, в кожний мшрофонний капал ввдповвдно. В подальшому виконуються опе-ращ1 су ми затриманих сигнал1в, зводення в квадрат та накопичення зпдно вираз1в (1,2). У раз1 ком-понсаш1 керованнмн затримками часу зашзноння прнйнятнх мшрофонами акустичиих хвиль результат на виход1 канала обробкн буде максималышм, а час затримки вкажо на кутову координату джерела. Треба зауважити, гцо визначоння максимума заложить ввд гостроти КПХП мшрофоннся систоми. Кут розкриву КПХП, який визначас кутову роз-дшьну здатшсть по р1вшо -ЗдБ, суттсво заложить ввд хвильового рстиру систоми та частотно! смугп прийнятого сигнала.
с
с
• -0.5----
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Кут керування,град
хороший результат, ало потребуй великих апаратних 1 часових ресурйв обробки.
Для зменшення кшькосп розрахуншв розрахо-вують ВКФ для сигнал1в хйкрофошв згруиоваиих у пари [ ]. Взаемна корелящйна функщя Д^- (т) мЬк сигналами прийнятими парою мшрофошв М.М^ (г = 1,2; ] = 2,3; г = ^ на деякому часовому проьпжку спостереження Т визначаеться як:
т
Щ(т) = ! [х(г) + п(г)][х(г - т.ц + т)+т(г+т)]л =
о
= Кхх(т - Пэ) + Кхт(т) + Кпх(т - т.ц) + Кпт(т),
Рис. 2. Графжи коруючих затримок
На рис. 3 приведен! доаграми КПХП трикутнеи
=
0.4 м, для широкосмугового сигнала 1з смугою частот ] = (100 — 1100) Гц 1 декшькох купв керування в = 0°, 30°, 60°, 90°.
Рис.
3. Д1аграми КПХП трикутного масиву мшро-фошв
(5)
де х^), п(€), т(€) - корисний сигнал та акустичш завади на входах мперофошв вщповщно; Яхх(т — т.^)- корелящйна функщя (КФ) входного сигнала з затримкою у чай на т^; Яхт(т), Япх(т — т~ц), Япт(т) - ВКФ процеав, яш диоть на входи приймач1в. За умови вщсутносп корелящ! мЬк цими процесами та великого промЬкку часу спостереже-иия величиии ВКФ дор1вшоють нулю.
Для шумового сигнала, яким с випромпиовання МЛА, КФ записуеться виразом:
Яхх( ) = О.
2 вт(2^Д ]т^)
2пД/п.
(6)
де ох, - дисперсш та смуга частот шуму випромпиовання.
Затримки т^ м1ж парами мперофошв в залежно-1з виразу (4):
2г . р, 2в - р + То = - — -) 8ш("
Для приводоного прикладу оцшка похибки ви-значоння кутово! координати дор1вшое оцшщ кута розкриву КПХП та становить веф = 24°. Така то-чшеть позначна, тому застосовують пшп способи пеленгування.
Для визначоння часових затримок [11 14] вико-ристовують процедуру взаемно! корелящйно1 обробки акустичних хвиль прнйнятнх мшрофонами. Вра-ховуючи то, що на вхщ мшрофошв одночасно з корисним сигналом поступав завада, взаемна корелящйна функщя (ВКФ) може мати декшька ло-калышх максимум1в, що приводить до похибок в ощнщ часового параметра. Для покращення точно-ста визначоння часу затримки застосовують процедуру спектрально! обробки та фшьтращ! прийня-то1 сухйнп сигнала та завади фшьтрами з р1зними частотними характеристиками. Подальше зворотне перотворення Фур'е очищоного спектра дае можли-вшть отримати ВКФ з добре локатзованим максимумом. Такий тдхвд, як зазиачають автори, дае
г = 1, 2; 3 = 2, 3; г = 3 .
(7)
Для прикладу розглянутому вище, графжи затримок часу приходу хвиль на пари мшрофошв М1-М2, М1-МЗ, М2-МЗ в залежносп вщ кута приходу приведено на рис. 4.
Рис. 4. Графпш затримок мЬк парами мшрофошв
1.5
0.5
-1
),
2.5
•о.;
•1.;
Визначивши по ВКФ (рис. ) затримки т^-, вста- 2 Експеримент
г],
новлюють кути приходу звуково! хвиль У раз1 роз-бЬкноси отримаиих для пар мшрофошв кутових оцшок користуються статистичиим уссредненням результате. Застосувания ВКФ шдвищуе завадо-стшшсть приймача та змсншуе похибку пеленгува-иия.
Подалыпим вдосконаленням способу скаиуваиия довшлля системою 1з трьох мшрофошв с застосувания алгоритму керовано! просторово! короляцпшсм характеристики (КПКХ). Для цього хйж парами мшрофошв вводять затримки корування (7) посль довно для кожного кутового напрямку (кута керування 0), розраховують та складають вщповщш ВКФ:
Р(р) = ^ Щ(ту); г = 1, 2; 3 = 2, 3; г = 3, (8)
де Р(р) - потужшсть на виход1 суматора в напрямку прнйому акустичнсм хвиль
Максимально значения потужноста буде дор1в-шовати потроетгому значению потужносп прийня-тих акустичних хвиль за умови компеисащ! затрим-ками т^ часу 1х приходу до пар мшрофошв. Розгля-иемо застосувания КПКХ для сканування простору системою трьох мшрофошв прпведоною у поперо-дньому прикладь Були розраховаш та побудоваш д1аграми КПКХ (рис. 5) прийнятого шуму з параметрами а2х = 1, Д/ = 1000 Гц для дешлькох значень кута керування в = 0°, 30°, 60°, 90°. Кут приходу хвил1 внзначався по максимуму КПКХ. По-хнбка оцшки кута приходу хвшп велась по куту розкриву КПКХ на р1вш -ЗдБ. як 1 у випадку ощнки похибки методом КПХП. Кут розкриву КПКХ становить веф = 18°. Вш менше за кут розкриву 9еф = 24° КПХП. Пор1внюючи оцшочш похибки визиачеиия кутових координат методами КПХП та КПКХ можна очшувати на перевагу корелящйиого способу формування характеристики спрямовано-ста по точносп визиачеиия кута та по параметру виявлеиия.
Для nepeBipKii розглянутих вище алгоритм1в сканування були проведен! дешлька сксисриментв по пеленгуваншо джерела шуму в примщенш роз-м1рами (12*8*6) м при температу-pi 18°С. Макет аку-стичного модуля (AM) мав конструкцию тетраедра. в основ! якого були розмщеш еквщистантно 3 Mi-крофони по колу рад1уса 0.4 м. Четвертий мшрофон був розмщений в Bepmniii тетраедру (рис. 6).
Рис. 5. Д1аграми КПКХ для pi3inix кутв керування
Рис. 6. Макет акустичного модуля
Застосовувались конденсаторш мшрофони МК202 з вбудованими шдсилювачами MV201. По-ряд розмщувався блок живлення мшрофошв та звукова карта, яка забезпечувала заиис чотирьох аудю фашпв в npncTpifi пам'ята з частотою дпскре-тизащ! 100 кГц. AM був встановлеиий на тринсш висотою 1.1м.
Джерелом шума була активна акустична система (АС) з смугою частот випромпновання в1д 200Гц до 8 кГц. АС перемщувалась по колу рад1усом Зм з фшсащяо кута вщносно AM. Бший шум pi3iio'i тривалосп генерувався в програмному ссредовшщ Matlab на ПК та подавався на АС.
Експеримент проводився в дешлька еташв. На першому в1вся запис звукового фону примщення. який дав змогу оцшити його р1вснь та кутову piBiio-MipnicTb. На другому були проведеш записи 1миуль-сних шум1в. яш дали змогу оцшити час реверберащ! иримщення. В подалыпому. избравши параметри тестових сигнал1в. провадились записи звуку для pi3imx кутових иоложень АС.
Обробка запийв аудю фашпв по запропонова-нпм алгоритмам була реал1зована на ПК i3 застосу-ванням програм написаних в MATLAB. Результати розрахуншв представлен! у вигляд1 графшв.
3 Обговорення результатов до-сладжень
По результатам обробки запийв звукового фону у иримщенш були иобудоваш графжи (рис. 7) залежносп р1вня фону в1д кута спосторожоння методами КПХП та КПКХ. Як 1 очжувалось фонове поле у примщенш близьке до 1зотропного. а рь вонь шума отрнманнй по алгоритму КПКХ суттево менше р1вня отрнманого по алгоритму КПХП.
по р1вшо -30 дБ. Роворборащйний процес для бшого шуму триватстю Юме в смуз1 частот (200-2000) Гц приведено на рис. 9. 3 анатзу осцилограми мо-жна зробити висновок про реверберащю як суму багатьох вадбитих ввд поворхонь примщснни акустичних ХВИЛЬ р1зн01 ШТОНСИВНОСТЬ иш приходить з р1зних напримшв у р1зний час. Акустичною моде-ллю примщоння може бути наб1р уявних джорел розмщених у мшщ розташування в1дбивач1в. Тому при доелвдженш кутовпх характеристик поту-жносп прийиятого звуку слад очшувати максимум потужноста дцйсного джерола та багато локалышх максимум1в уявних джерол.
-КПХП -КПКХ
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Кут,град
Рис. 7. Кутов1 характеристики р1вня звукового фону
1нша ситуацш при випромпиованш иепорервиого у чай звуку (рис. 8). Акустично поле стае ашзотро-пиим тому, що формуеться хвилями ввдбитими ввд поворхонь примщснни р1зних за розхйром 1 ввдби-ваючими властнвостямн.
0.06 0.08 0.1 Час,с
0.12 0.14 0.16 0.18
Рис. 9. Осцилограма реверберащ' iMnynbca шума
0.02 0.04
300 350
Рис. 8. IvyTOBi характеристики piBira звуку за наяв-nocTi випромпиовача
Дослвдження акустичиих характеристик примь щення показало досить великий час реворберащ1. Оцшка сореднього часу реверберащ! становила 0.3 с
Ексиеримонт по визначеншо кутового положении джерола проводивен иаступиим чипом. Акусти-чна система фшсувалась в деиких кутах на ко„ш радоусом Зм. Центр кола був су мщений з центром AM. Кутове положении АС вщраховувалось ввд кутово! коордииати = 0° першого мжрофону AM. Точшсть визначоння центра АС по тоодатту становпв Д в = ±2°. У икоста тестового сигналу використовувався бший шум i3 смугою частот (2002000) Гц триватстю Юме. Обробка запийв велась алгоритмами КПХП та КПКХ.
На рис. 10 приведен! заложноста нормовано! по-
тужносп шума вщ кута спосторожоння. отримаш
=
300°. Графши мають багато локальнпх максиму-м1в. HKi визиачають коордииати в1дбивач1в. Голов-иий максимум вказуе на кутове положения АС. яке однакове для двох методов i становить в* = 299°. По графшам можна оцшити кутове положения тильно-го вщбивача (стши. нормально! до падший звуково! хвшл), яке дор1виюе в** = 119°.
Рис. 10. Кутова заложшсть потужноста прийнятого шума (кутове положения АС в = 300°)
Похибка втирювання кута була оцшена по ку-ту розкриву на pinui -ЗдБ головного максимума характеристик (рис. ) i становила 9еф = 22° та веф = 12° для КПХП та КПКХ ввдповвдно.
285 290 295 300 305 310
Кут, град
Рис. 11. Оцшка кутав розкриву максимум1в характеристик
На рис. 12 приведено графжи залсжноста нормо-вано! потужноста шума ввд кута спосторожоння для кутового положения АС в = 180°. Графши мають багато локалышх максимум1в та головним. спрямо-ваиим на джерело, кут якого в* = 183° близький до достов1рного.
Рис. 12. Кутова заложшсть потужноста прийнятого шума (кутове положения АС в = 180°)
Висновки
1. В робота розглянуто можливкть застосувания акустичного модуля з чотирьох мшрофо-шв. розташованих в вершинах тотраодра. для визначення кутових координат МЛ А. Перевага такого модуля полягае у використанш пасивних метод1в спостсреження. виявлення та полонгування МЛА. Проста конструкция, вщносно незначш anapaTiii та часов1 затрати на обробку акустичних сигнатв, невелика со-б1варт1сть роблять модуль персиективним для застосувания в системах локал1заш1 МЛА.
2. Для визначення кутових координат запро-поновано алгоритми КПХП та КПКХ. Теоретично встановлоно переваги КПКХ перед КПХП. яш полягають у зменшенш похибки визиачеиия кута та бшышй завадостайкоста.
3. Проведено лабораторш дослщжсння пеленгу-вання джерела шуму - акустично! системи з параметрами шуму модолюючими випромпно-вання МЛА. Не зважаючн на суттеву реверберацию. вдалось виявити i розрахувати куто-Bi коордииати джерела. Встановлона перевага способу КПКХ перед КПХП по похибщ визиачеиия кутово! коордииати.
4. Акустичний модуль у вигляд1 тетраедра з застосуванням алгоритма КПКХ може бути складовою системи локал1загш та трекувания малих лиаючих аиаратав та iiimux джерел звукового випромпновання. Розробка таких систем перспективна та актуальна.
5. Запропоноваш алгоритми обробки звуку мо-жуть бути застосован! для експертно! оцппш
примщоння в задачах архиектурнся акустики. а само для експерименталыгого визначоння розташування та оцшки поглинання огоро-джуючих конструкщй. локатзащ! порушонь звуково! 1золящ1 примщоння i Т. ÍII.
References
[1] Birch G. C.. Griffin .1. C. and Erdman M. K. (2015) UAS Detection Classification and Neutralization: Market Survey 2015. United States. DOl: 10.2172/1222445.
[2] Hassanalian M. and Abdelkeii A. (2017) Classifications, applications, and design challenges of drones: A review. Progress in Aerospace Sciences, Vol. 91. pp. 99-131. DOl: 10.1016/j. paerosci .2017.04.003.
[3] Mandal S., Ohen L., Alaparthy V. and Cummings M. L. (2020) Acoustic Detection of Drones through Real-time Audio Attribute Prediction. A1AA Scitech 2020 Forum. DOl: 10.2514/6.2020-0491.
[4] Kozeruk S. O. and Korzhyk O. V. (2019) Detection Small Aircraft by Acoustic Radiation. Visnyk N'l'UU KP1 Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, Iss. 76. pp. 1520. DOl: 10.20535/radap.2019.76.15-20.
[5] Kozeruk S. O. and Korzhik O. V. (2019). Oorrelation direction Under for small aircraft. Visnyk N'l'UU KP1 Seriia -Radiotekhnika tiadioaparatobuduuannia, Iss. 79. pp. 41-47. DOl: 10.20535/RADAP.2019.79.41-47
[6] Gase E. E.. Zelnio A. M. and Rigling B. D. (2008) Low-Cost Acoustic Array for Small UAV Detection and Tracking. 2008 IEEE National Aerospace and Electronics Conference, pp. 110-113. DOl: 10.1109/naecon.2008.4806528.
[7] T. Pham and L. Sim (2002) Acoustic detection and tracking of small low-living threataircraft. 23rd Army Science Conference.
[8] Benyamin M. and Goldman G.H. (2014) Acoustic Detection and 'lYacking of a Class 1 UAS with a Small Tetrahedral Microphone Array. DOl: 10.21236/ada610599.
[9] Sedunov A.. Sutin A.. Sedunov N.. Salloum H., Yakubovskiy A. and Masters D. (2016) Passive acoustic system for tracking low-living aircraft. 1ET Radar, Sonar & Navigation, Vol. 10." Iss. 9. pp. 1561-1568. DOl: 10.1049/iet-rsn.2016.0159.
[10] Sedunov A.. Salloum H., Sutin A.. Sedunov N. and Tiyuryupa S. (2018) UAV Passive Acoustic Detection. 2018 IEEE International Symposium on Technologies for Homeland Security (HST), pp. 1-6. DOl: 10.1109/ths.2018.8574129.
[11] DiBiase .1. H.. Silverman H. F. and Brandstein M. S. (2001) Robust Localization in Reverberant Rooms. Digital Signal Processing, pp. 157-180. DOl: 10.1007/978-3-662-04619-7_8.
[12] Damarla T. (2015) Battlefield Acoustics, 262 p. DOl: 10.1007/978-3-319-16036-8.
[13] Sedunov A.. Haddad D., Salloum H., Sutin A.. Sedunov N. and Yakubovskiy A. (2019) Stevens Drone Detection Acoustic System and Experiments in Acoustics UAV Tracking. 2019 IEEE International Symposium on Technologies for Homeland Security (HST), pp. 1-7. DOl: 10.1109/hst47167.2019.9032916.
[14] Chang X.. Yang C.. Wu .1.. Shi X. and Shi Z. (2018) A Surveillance System for Drone Localization and Tracking Using Acoustic Arrays. 2018 IEEE 10th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), pp. 573-577. DOl: 10.1109/sam.2018.8448409.
[15] Didkovskyi V.. Kozeruk S. and Korzhik O. (2019) Simple Acoustic Array for Small UAV Detection. 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and N anotechnology (ELNANO), pp. 656-659. DOl: 10.1109/elnano.2019.8783262.
[16] Kozeruk S. and Serhiienko O. (2018) Approbation of Evaluation Techniques of Acoustic Waves Time Delay for Sound Sources Localization. 2018 IEEE 38th International Conference on Electronics and N anotechnology (ELNANO), pp. 582-586. DOl: 10.1109/elnano.2018.8477565.
Акустический модуль для пеленгования малых летательных аппаратов
Козерук С. А., Коржик А. В., Воловик Д. И., Пуха Г. С.
Введение. Актуальность исследуемой проблемы обусловлена использованием беспилотных малых летательных аппаратов для мобильного обслуживания населения по доставке почты, товаров, обеспечения наблюдения и безопасности. Одновременно растет и опасность их использования в акциях, которые несут угрозу как государственным, так и частным интересам. Для наблюдения за объектами применяют устройства различного физического действия, которые имеют как преимущества, так и недостатки. Пассивные акустические средства наблюдения обеспечивают скрытость наблюдения, по имеют небольшую дальность обнаружения. Увеличить расстояние обнаружения можно за счет совершенствования конструкций приемных микрофонных модулей и разработки эффективных алгоритмов наблюдения и локализации.
Теоретические результаты. В работе представлена конструкция акустического модуля в виде тетраэдра с микрофонами, размещенными в его вершинах. Сканирование пространства по угловым координатам предложено вести с применением алгоритмов формирования управляемой характеристики мощности или управляемой корреляционной характеристики. Для каждого способа приведены теоретическое обоснование алгоритмов сканирования, результаты расчета характеристик направленности и оценки погрешности определения угловых координат. Сравнение двух способов установило преимущество алгоритма управляемой пространственной корреляционной характеристики направленности по помехоустойчивости и точности пеленгования. Были проведены лабораторные исследования по пеленгованию источника шума макетом акустического модуля. Несмотря па реверберацию помещения, удалось проверить теоретические результаты и подтвердить преимущество алгоритма корреляционного формирования направленности.
Выводы. Результаты работы могут быть использованы для создания акустических пеленгаторов и систем локализации шумовых объектов. Предложенный алгоритм управляемой корреляционной характеристики может быть использован в средствах мониторинга для оценки акустических характеристик помещений.
например, для экспериментального определения расположения и оценки поглощения звука ограждающими конструкциями, локализации нарушений звуковой изоляции помещения.
Ключевые слова: малый летательный аппарат; акустический модуль; пеленгование; характеристика направленности
Acoustic Module for Direction Finding of Small Aircraft
Kozeruk S. 0., Korzhyk О. V., Volovik D. I., Pukha G. S.
Introduction. The studied problem is relevant due to the growing use of unmanned small aircraft for mobile services of the mail and goods delivery, surveillance and security. At the same time, the danger of their use in events/campaigns, which pose a threat to both public and private interests, is increasing. Principally different devices are applied for surveillance; each type has its advantages and disadvantages. Passive acoustic surveillance tools provide stealth observation, but have a small detection range. It is possible to increase detection distance by improving the receiving microphones module design and developingeffective monitoring and localization algorithms.
Theoretical Results. The paper presents the design of an acoustic module in the form of a tetrahedron with microphones located on its vertices. It is proposed to scan the space by angular coordinates using algorithms to generate a controlled power characteristic or controlled correlation characteristic. The theoretical justification of scanning algorithms, the results of the calculation of directivity characteristics and estimates of the error in determining the angular coordinates for each method are provided. Laboratory studies were conducted on direction finding of a noise source by the acoustic module prototype. Despite of reverberation in the room, it was possible to verify the theoretical results and confirm the advantage of the algorithm for the correlation formation of directivity.
Conclusions. The results of the work can be used to create acoustic direction finders and systems for localizing noise objects. The proposed algorithm of controlled correlation characteristic can be used in monitoring tools to assess the acoustic characteristics of premises, for example, to experimentally determine the location and estimate sound absorption of enclosing constructions/the obstacles, to localize breaches in sound isolation.
Key words: small aircraft; acoustic module; direction finding
