RS63209B1 - Akustični sistem za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije i povezani postupak lociranja - Google Patents

Description

Opis

POZADINA OVOG PRONALASKA

Oblast prijave

[0001] Ovaj pronalazak se odnosi na akustični sistem za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije i na povezani postupak lociranja.

[0002] Ovaj pronalazak naročito ispunjava potrebu da se dostupnim učini akustični sistem koji je efikasan kod identifikovanja preživelih zarobljenih u ruševinama zgrada nakon katastrofalnog događaja npr. zemljotresa, u kojem prisustvo i položaj tako zarobljenih ljudi može da se detektuje njihovim zahtevima za pomoć.

Stanje tehnike

[0003] Danas mnoge kompanije predlažu komercijalne akustične nizove ili mikrofonske nizove koji mogu da se koriste u oblasti pasivnog audio slikanja. Među njima, sledeći su vredni pomena: Norsonic, CAE Systems, Acoustic Kamera, Dual Cam.

[0004] Takvi akustični nizovi omogućavaju da se smer slušanja modifikuje bez fizičkog pomeranja samog niza kombinovanjem signala primljenih od pojedinačnih mikrofona za svaki uključeni pravac. Određenije, jačina zvuka za stvaranje akustične slike koja postavljena preko optičke slike može da se izmeri za svaki smer pomoću skeniranja optičke slike koja je dostupna putem opcione video kamere duž glavnih smerova takve slike.

[0005] Sklop koji obuhvata mikrofonski niz i opciono kameru ili digitalnu kameru se obično naziva "akustična kamera".

[0006] Akustične kamere koje su u komercijalnoj upotrebi poznatog tipa karakteriše maksimalni otvor blende, tj. maksimalna podužna dimenzija od oko dva metra. Takve akustične kamere su konfigurisane tako da dovoljno precizno lociraju izvor zvuka frekvencija većih od 2 kHz.

[0007] Postoji potreba da se koriste akustične kamere sa širim otvorom blende da bi se tačno locirali izvori zvuka na nižim frekvencijama, a naročito ljudski glasovi. Određenije, postoji potreba da se koristi akustična kamera sa otvorom blende od najmanje deset metara radi detektovanja izvora zvuka frekvencija reda 300 Hz.

[0008] Akustični mrežni sistem pod nazivom ACOUFIND može da se koristi za detektovanje zarobljenih ljudi. Takav akustični sistem je opisan u dokumentu: Menachem Friedman, Yoram Haddad, Alex Blekhman, "ACOUFIND: Acoustic Ad-Hoc Network System for Trapped Person Detection", IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Elektronski Systems (COMCAS 2015), 2 – 4. novembar 2015, Tel Aviv, Izrael.

[0009] ACOUFIND akustični sistem se sastoji od tri glavne komponente:

- veći broj pametnih telefona koji se koriste kao senzori mikrofona za snimanje akustičnih podataka na konkretnom poznatom mestu;

- računar koji prikuplja akustične podatke sa svih zapisa pametnog telefona i zatim ih analizira obradom digitalnog signala da bi se izračunao položaj preživelog; i

- ruter koji povezuje pametne telefone i centralni računar.

[0010] Takav sistem ne koristi konzistentan akustični niz i ocena smera koji potiče od izvora zvuka se dobija tehnikama triangulacije.

[0011] Danas se naročito oseća potreba za realizacijom akustične detekcije i lociranjem izvora slabog zvuka, tj. niskog intenziteta i jačine i niske frekvencije izvora zvuka, u unapred podešenoj oblasti, naročito nakon katastrofalnog događaja u takvoj oblasti, kao što je npr. zemljotres.

[0012] Kao što je prethodno pomenuto, rešenja koja danas mogu da se koriste u ovu svrhu su predstavljena akustičnim kamerama i pomoću ACOUFIND akustičnog sistema.

[0013] Ipak ta poznata rešenja imaju ograničenja i nedostatke. Zapravo, komercijalne akustične kamere nisu adekvatne za gore naznačenu primenu usled njihovog smanjenog otvora blende (maksimalno dva metra). Takav smanjeni otvor blende uzrokuje malu ugaonu rezoluciju zbog čega akustične kamere nisu pogodne za lociranje, na dovoljno tačan način, pri čemu izvorni smer akustičnih signala niske frekvencije, tj. akustičnih signala ima frekvencije manje od 1000 Hz.

[0014] Umesto toga nedostatak ACOUFIND akustičnog sistema je u tome što je mogućnost detektovanja izvora zvuka ograničena osetljivošću mikrofona instaliranog na pametnim telefonima.

[0015] Neka dodatna povezana proučavanja iz stanja tehnike mogu da se nađu u JP 2010025802 A i US 2016/043771 A1.

KRATAK SADRŽAJ OVOG PRONALASKA

[0016] Predmet ovog pronalaska je da osmisli i učini dostupnim lagani akustični sistem koji može da se postavi i rekonfiguriše i povezani postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije, koji omogućava prevazilaženje gornjih ograničenja u smislu poznatih rešenja.

[0017] Ovaj pronalazak obezbeđuje akustični sistem koji poželjno, ali ne u potpunosti, može da se koristi za pronalaženje preživelih u ruševinama, na primer zgrade, nakon katastrofalnog događaja, npr. zemljotresa, u kojem prisustvo i položaj zarobljenih ljudi može da se detektuje na osnovu zahteva za pomoć od strane tih ljudi.

[0018] Detaljnije, predmet ovog pronalaska je da obezbedi akustični sistem za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije pojačane osetljivosti na slabe signale u odnosu na ono što može da se dobije rešenjem sa jednim mikrofonom ACOUFIND i dalje, koji može da se konfiguriše tako da obezbedi povećanu tačnost usmeravanja u smislu akustične kamere komercijalnog tipa.

[0019] Predloženi pronalazak se fokusira na komponente niske frekvencije ljudskog glasa, tj. komponente glasa frekvencije manje od 1000 Hz. Takve komponente glasa zaista pokazuju povećani sadržaj energije i otpornije su na slabljenje prenosnih sredstava.

[0020] Akustični sistem ovog pronalaska naročito primenjuje širi akustični niz u odnosu na poznata rešenja, tj. sa otvorom blende većim od 3 metra, poželjno u opsegu od 10 do 20 metara za optimalne rezultate, za konkretno detektovanje spektralnih komponenti ljudskog glasa frekvencije manje od 1000 Hz.

[0021] Štaviše, ovaj pronalazak postiže virtuelnu akustičnu kameru jer je konfigurisan kako bi se privremeno poravnali mikrofoni, čime se povećava osetljivost.

[0022] Akustični sistem ovog pronalaska dovodi do povećane mogućnosti detekcije i tačnosti lociranja u odnosu na modernije senzore i akustične sisteme pri čemu se postiže ekvivalentni akustični niz širine veće od 3 metra, poželjno širine u opsegu od 10 do 20 metara za optimalne rezultate, i samim tim primenjuju se klasične tehnike za digitalno formiranje snopa.

[0023] Takve tehnike formiranja snopa koriste algoritme za obradu akustičnog signala koji omogućavaju da se zvučni snop prijemnika formira prostornim izolovanjem zvuka koji potiče od datog smera.

[0024] Konkretna primena u kontekstima životne sredine kao što su oni stvoreni usled katastrofalnog događaja, npr. zemljotresa, zahteva upotrebu laganog rešenja koje lako može da se postavi i konfiguriše u odnosu na spoljašnju sredinu. Sistemu ovog pronalaska naročito nije potrebno da senzori ili mikrofoni akustičnog sistema budu raspoređeni na ravnoj površini, već je pre omogućeno brzo postavljanje samih mikrofona, koje je nezavisno od njegovog položaja i ne utiče na učinak sistema. U ovu svrhu, akustični sistem ovog pronalaska obuhvata sklop akustičnih senzora ili mikrofona konfigurisanih tako da se nalaze razbacani u oblasti, koji bežično mogu međusobno da se povežu i rasporede prema jednostavnim pravilima.

[0025] Da bi takav sklop senzora postao pravi klasičan niz, ovaj pronalazak poželjno obezbeđuje primenu postupka kalibracije podešenog radi procene povezanog položaja samih senzora u odnosu na referencu, i radi čuvanja ovih položaja kao korekcija koje bi trebalo primeniti u fazi slušanja zvučnih signala, naročito zvučnih signala niskog intenziteta i niske frekvencije.

[0026] Predmet ovog pronalaska se postiže pomoću akustičnog sistema koji može da se rekonfiguriše za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije prema zahtevu 1.

[0027] Poželjni načini ostvarivanja takvog akustičnog sistema su opisani u zavisnim patentnim zahtevima.

[0028] Predmet ovog pronalaska je takođe i postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije pomoću postupka kalibracije prema zahtevu 10.

KRATAK OPIS CRTEŽA

[0029] Dalje karakteristike i prednosti akustičnog sistema i postupka prema ovom pronalasku će postati očigledne iz opisa njegovih poželjnih načina ostvarivanja u nastavku, koji su dati samo kao neograničavajući, indikativni primer, uz pozivanje na prateće crteže u kojima:

- fig.1 predstavlja dijagram akustičnog sistema za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije prema ovom pronalasku;

- fig.2 je grafički prikaz primera formiranja snopa pasivnog audio prijemnika u odnosu na pravougaonu scenu;

- fig.3A do 3B grafički prikazuju faze poznatog postupka kalibracije koji može da se koristi u linearnom akustičnom nizu;

- fig.4 prikazuje, prema vremenu, primer test signala koji, u postupku kalibracije, može da koristi akustični sistem za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije na fig.1;

- fig.5 prikazuje autokorelacioni signal nastao od test signala na fig.4, u poređenju sa dodatnim korelacionim signalom dobijenim od pravougaonog signala;

- fig.6 prikazuje prvi i drugi autokorelacioni signal nastao od istog test signala na fig.4, moduliran u frekvenciji pojasa B=10kHz i koji emituju dva odvojena izvora zvuka;

- fig.7 prikazuje pojednostavljenu sliku akustičnog sistema za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije na fig.1.

[0030] Isti ili slični elementi su označeni sa istim numeričkim oznakama na gorepomenutim crtežima 1 do 7.

DETALJAN OPIS

[0031] Uz pozivanje na fig.1 i 7, akustični sistem za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja IN prema ovom pronalasku, je kao celina označen brojem 100.

[0032] Takav akustični sistem 100 obuhvata sklop 1 akustičnih senzora ili prijemnika 2. Takav sklop 1 senzora određenije obuhvata M grupe 4 senzora 2 raspoređene oblasti istraživanja IN, u kojoj sklop 1 senzora ima širinu ili otvor AP blende.

[0033] Svaka grupa 4 senzora sklopa poželjno, ali ne u potpunosti, uključuje N akustične senzore 2, na primer N mikrofone vertikalno raspoređene duž zajedničkog nosača 6, na primer nosača mikrofona povezanog sa uzemljenjem 7. Samim tim, akustični sistem 100 obuhvata sklop 1 koji uključuje MXN akustične senzore 2.

[0034] Akustični senzori 2 sklopa naročito mogu biti nasumično raspoređeni u oblasti istraživanja IN za detektovanje akustičnih signala koje prave izvori zvuka niskog intenziteta i frekvencije i za generisanje podataka koji predstavljaju takve akustične signale. Akustični senzori 2 sklopa su praktično proizvoljno raspoređeni u oblasti istraživanja IN, tj. ne pripadaju konkretnoj površini ili strukturi. Uzročni pojam povezan sa raspodelom akustičnih senzora 2 sklopa u ovom pronalasku znači da su senzori raspoređeni na "pogodan" način, tj. bez podvrgavanja konkretnom pravilu ili obavezi, već tako da slede potrebe krajnjeg korisnika, a ipak bez ograničenja ili obaveza u smislu geometrijskog tipa. Ovo povećava fleksibilnost upotrebe akustičnog sistema 100 ovog pronalaska.

[0035] Širina ili otvor blende sklopa 1 akustičnih senzora 2 dalje u ovom opisu označava najdalje međusobno rastojanje vazdušnom linijom između dve grupe 4 senzora 2.

[0036] Štaviše, grupe 4 senzora 2 sklopa 1 nisu nužno poravnate na uzemljenju 7 duž istog smera, kako je prikazano na fig.1, ali mogu nasumično biti raspoređene u oblasti istraživanja IN. U bilo kom slučaju, takve grupe 4 senzora raspoređene unutar lopte prečnika koji je jednak gorepomenutoj širini ili otvoru AP blende sklopa 1 senzora.

[0037] U jednom primeru načina ostvarivanja, takva širina ili otvor AP blende sklopa 1 senzora 2 je veći od 3 metra. U poželjnom primeru načina ostvarivanja, takva širina ili otvor AP blende sklopa 1 senzora je u opsegu od 10 do 20 metara za optimalne rezultate.

[0038] Drugim rečima, budući da je broj mikrofona 2 koji se koriste jednak, sistem 100 ovog pronalaska omogućava veći broj raznih konfiguracija za postizanje jednostavnim postavljanjem mikrofona 2 u skladu sa različitim izgledima sklopa, pri čemu svaki od njih ima odgovarajući otvor AP blende. Na osnovu simulacija i eksperimentalnih ispitivanja, podnosilac prijave je uvideo da sistem 100 obezbeđuje povećanu osetljivost na razne delove akustičnog spektra sa gorepomenutim otvorima AP blende sklopa 1 senzora 2.

[0039] Štaviše, akustični sistem 100 obuhvata elektronski instrument 5 za kalibraciju, tj. instrument koji funkcioniše kao izvor zvuka i konfigurisan je tako da kalibriše sklop 1 akustičnih senzora.

[0040] Zapravo, da bi se akustični senzori 2 akustičnog sistema 100 brzo rasporedili u oblasti istraživanja IN, takvi akustični senzori 2 mogu biti pozicionirani u skladu sa približnim „praktičnim pravilom“. Uz pozivanje na primer na fig.1, obezbeđeno je da nadalje međusobno rastojanje između te dve grupe 4 senzora 2 iznosi AP=10, a za preostale grupe 4 senzora 2 da je više ili manje uniformno pozicionirano u neposrednom položaju između takvih najdaljih grupa senzora.

[0041] Vredi pomenuti da izvor zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije za predmete ovog pronalaska predstavlja ljudski glas čije su komponente frekvencije manje od 1000 Hz.

[0042] Akustični sistem 100 dalje obuhvata sredstva 15 bežične komunikacije, naročito bežičnu vezu, za omogućavanje komunikacije bežičnog tipa između sklopa 1 senzora 2 i instrumenta 5 za električnu kalibraciju sa jedne strane, i bloka 20 elektronskog prijemnika, naročito višekanalnog bloka, i jedinice 30 za obradu akustičnog sistema 100 sa druge strane.

[0043] Detaljnije, putem gore pomenute bežične veze 15, akustični sistem 100 je konfigurisan tako da:

- omogući prenos podataka dobijenih putem sklopa 1 senzora 2, do višekanalnog bloka 20 prijemnika;

- izvršava poravnanje kontrole i vremena senzora 2 sklopa.

[0044] Gorepomenuti višekanalni elektronski blok 20 prijemnika je konfigurisan tako da prima i analizira podatke reprezentativne za detektovane akustične signale. Takav višekanalni blok 20 prijemnika određenije obuhvata bežičnu višestruku vezu i blok za obradu, pri čemu su oba napravljena pomoću standardnih komponenti hardvera. Višekanalni blok 20 prijemnika dalje obuhvata softverske komponente konfigurisane za sakupljanje podataka koji su reprezentativni za akustične signale dobijene od akustičnih senzora 2 sklopa 1 i za uzorkovanje takvih signala.

[0045] Akustični sistem 100 dalje obuhvata gorepomenutu jedinicu 30 za obradu operativno povezanu sa višekanalnim elektronskim blokom 20 prijemnika . Takva jedinica 30 za obradu, koja se na primer materijalizuje u personalnom računaru (PC), je konfigurisana da izvršava redom:

- operaciju "kalibrisanja i kontrolisanja" akustičnih senzora 2 sklopa 1 kako bi se privremeno poravnali akustični signali primljeni od akustičnih senzora 2 nasumično raspoređenih u pomenutoj oblasti istraživanja IN,

- operaciju "digitalnog formiranje snopa" kako bi se kombinovali podaci reprezentativni za akustične signale koje detektuju akustični senzori 2 i da bi se stvorila akustična slika oblasti istraživanja radi lociranja pomenutih izvora niskog intenziteta i niske frekvencije.

[0046] Zapravo, da bi gorepomenuti sklop senzora 2 postao pravi akustični niz, gorepomenuti elektronski instrument 5 za kalibraciju, koji je operativno povezan sa jedinicom 30 za obradu, je konfigurisan tako da emituje pogodne zvučne talasne oblike na osnovu indikacija i instrukcija koje dodeljuje sama jedinica 30 za obradu.

[0047] Izvršavanja odgovarajućeg postupka kalibracije od strane jedinice 30 za obradu omogućava da se povezani položaj između svakog senzora 2 niza 1 proceni u trodimenzionalnom prostoru 3D (x, y, z).

[0048] Jedinica 30 za obradu se naročito podešava, kroz operacije "kalibracije i kontrole", kako bi se upravljalo postupkom kalibracije i da bi se podaci dobijeni od sklopa 1 senzora 2 obradili kada ih stimuliše instrument 5 za kalibraciju, kako je u nastavku razjašnjeno.

[0049] Akustični sistem 100 zahteva za gorepomenutu operaciju kalibracije da se izvršava najmanje jednom nakon postavljanja sklopa 1 senzora 2 u oblasti istraživanja IN.

[0050] Nakon takve operacije kalibracije, akustični sistem 100 je konfigurisan tako da koristi tehnike za formiranje snopa, koje su poznate stručnjaku iz oblasti, na zvučnim signalima koje detektuje akustični niz 1.

[0051] Jedinica 30 za obradu je podešena, kroz takve operacije "digitalnog formiranja snopa", da bi se primenilo pasivno audio slikanje formiranjem snopa prijemnika (kako je prikazano na fig.2) za sve smerove uključene putem jednog prikupljanja zvučnih signala.

[0052] Detaljnije, tako fig.2 predstavlja dijagram akustičnog niza 1, čije je rastojanje od ravni 50 skeniranja označeno strelicom F, a model 40 snopa emitovan od strane takvog akustičnog niza 1.

[0053] Primer načina ostvarivanja postupka kalibracije koji izvršava akustični sistem 100 za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije je opisan u nastavku uz pozivanje na fig.3A, 3B 4, 5 i 6.

[0054] Kao što je poznato, kalibracija je operacija koja postaje neophodna kako bi se primenili algoritmi klasičnog formiranja snopa, npr. algoritama "nezavisnih od podataka", na nizu akustičnih senzora ili prijemnika 2 nasumično pozicioniranih u oblasti istraživanja, kao što je akustični niz 1 na fig.1.

[0055] Određenije, kada je sklop senzora 2 raspoređen tako da se formira niz, postoji potreba da se zna koji je geometrijski oblik niza, tj. povezani položaj svakog senzora niza u odnosu na druge.

[0056] U slučaju akustične kamere, mikrofoni niza su pozicionirani na okviru da bi se formirala čvrsta struktura suštinski planarnog oblika. Samim tim, položaj svakog senzora u nizu je prethodno poznat.

[0057] U slučaju umesto rasporeda mikrofona 2 preko oblasti istraživanja IN, takvi mikrofoni 2 su generalno raspoređeni nasumično u odnosu na referentnu ravan prema specifičnosti posmatrane spoljašnje sredine i tipa informacija koje se primaju.

[0058] Generalno, prema poznatom postupku kalibracije koji se odnosi na dvodimenzionalni niz, određenije linearni niz kao što je onaj prikazan primera radi na fig.3A, pretpostavlja se da jedan od senzora ili prijemnika, npr. senzor r4, predstavlja referentni senzor (ili obrtni senzor). Prvi izvor A zvuka je raspoređen na poznatom rastojanju d od prave linije X koja preseca takav referentni senzor r4 i ortogonalan je na segment koji ima isti referentni senzor r4 i prvi izvor A kao krajevi.

[0059] Sekundarni senzori r1, r2, r3, r5, r6, 5 r7 niza su prostorno razdvojeni od prave linije X.

[0060] Kao što je poznato, predmet postupka kalibracije je da se izmere položaji sekundarnih senzora r1, r2, r3, r5, r6, r7 u referentnom sistemu A-r4-X koji definiše prvi izvor A, referentnim senzorom r4 i pravom linijom X, i da se procene korekcije koje je potrebno primeniti na svaki takav sekundarni senzor u smislu pozitivnog ili negativnog vremenskog odlaganja koje je potrebno primeniti na detektovane zvučne signale radi stimulisanja poravnate matrice.

[0061] Ponovo uz pozivanje na fig.3A, drugi izvor zvuka B se razmatra za ovu svrhu pored prvog izvora zvuka A i referentnog senzora r4. Položaj jednog od sekundarnih senzora u referentnom sistemu A-r4-X, npr. sekundarni senzor r5, se dobija merenjem prvog dr5A i drugog dr5B rastojanja od takvog sekundarnog senzora r5 od prvog A i od drugog B izvora zvuka, redom.

[0062] Postupak zatim obezbeđuje izračunavanje jednačina dva obima C1, C2 sa sredinom na položaju prvog A i drugog B izvora zvuka i sa prvim rastojanjem dr5A i drugim dr5B, redom, kao prečnikom.

Položaj sekundarnog senzora r5 se dobija presekom jednačina gorepomenutih obima C1 i C2.

[0063] Kada je položaj sekundarnog senzora r5 poznat, postupak kalibracije obezbeđuje fazu izračunavanja vremenskog pomeranja Δt5 koje predstavlja prostorno rastojanje između položaja sekundarnog senzora r5 i projekcije r5 položaja takvog senzora ortogonalnog na pravu liniju X da bi se poravnali svi elementi niza.

[0064] Uz pozivanje na fig.3B, ponavljanjem gorepomenutih operacija za sve sekundarne senzore linearnog niza r1, r2, r3, r5, r6, r7, mogu da se izračunaju prvi vektor vremenskog pomeranja (Δt1, Δt2, ..., Δt7) i drugi vektor, u kojima svaki element predstavlja razliku između stvarnog položaja gorepomenutih sekundarnih senzora r1, r2, r3, r5, r6, r7 i položaja takvih senzora poravnatih (duž prave linije X) sa referentnim senzorom r4, tj. vektor Δx1, Δx2, ..., Δx7. Svako vremensko pomeranje prvog vektora (Δt1, Δt2, ..., Δt7) predstavlja veće ili manje rastojanje od sekundarnih senzora r1, r2, r3, r5, r6, r7 od stanja poravnanja.

[0065] Gore opisani postupak za linearnu matricu može da se produži na stvarni slučaj, tj. na niz koji se nalazi u trodimenzionalnom prostoru, kao što je niz 1 na fig.1. Ovde opisani postupak obezbeđuje upotrebu tri izvora kalibracije zvuka.

[0066] Položaj u prostoru svakog senzora 2 akustične matrice 1 može da se dobije merenjem tri rastojanja između prethodno odabranog referentnog akustičnog senzora (obrtnog senzora) i svakog od ova tri izvora kalibracije zvuka. Štaviše, tačka preseka ove tri kugle se izračunava, pri čemu svaka ima sredinu u jednom od gore pomenutih izvora zvuka a tri rastojanja su izmerena kao prečnik.

[0067] Posmatrajući detaljnije postupak kalibracije koji se primenjuje na akustični sistem 100 ovog pronalaska, isti akustični talasi se koriste da se izmere rastojanja između gorpomenuta tri izvora kalibracije zvuka i senzora ili mikrofona 2 sklopa 1.

[0068] Kada je poznata brzina zvuka u vazduhu, isti oblik talasa koji emituje izvor zvuka je primljen na različitim rastojanjima u različito vreme . Samim tim, merenje vremenskog pomeranja je proporcionalno merenju rastojanja raznih senzora 2 niza 1 od referentnog senzora.

[0069] Da bi se povećala tačnost merenja rastojanja, postupak kalibracije ovog pronalaska obezbeđuje korišćenje test signala sa talasnim oblicima moduliranim u frekvenciji tipa"cvrkuta", tj. signala u kojima frekvencija varira linearno tokom vremena povećanjem ili smanjenjem.

[0070] Primer test signala (S(t)) koji može da se koristi u postupku kalibracije ovog pronalaska je prikazan na fig.4.

[0071] Takav test signal (S(t)), određenije signal rastuće frekvencije, može biti izražen pomoću sledeće jednačine:

i

u kojoj T predstavlja trajanje moduliranog pulsa, a B predstavlja opseg frekvencije takvog pulsa.

Upotreba gorepomenutih moduliranih talasnih oblika (S(t)) frekvencije povećava tačnost kalibracije.

[0072] Najmanje jedan od takvih test signala (S(t)) emituje svaki od tri izvora kalibracije zvuka i primaju ga svi mikrofoni 2 sistema 100. Ta tri izvora kalibracije zvuka se naročito nalaze u instrumentu 5 za kalibraciju.

[0073] Tokom kalibracije, test signal (S(t)) emituje redom svaki od ova tri izvora kalibracije sa prethodno utvrđenim vremenskim intervalom prenosa u odnosu na isti signal koji emituje jedan od druga dva izvora. Takav vremenski interval prenosa je na primer, veći od trajanja T moduliranog pulsa.

[0074] Ovaj postupak obezbeđuje fazu u kojoj su test signali (S(t)) koje emituju tri izvora kalibracije i koje prima svaki mikrofon 2 niza 1 digitalizovani kako bi se generisali odgovarajući digitalni signali Sd koji se šalju jedinici 30 za obradu.

[0075] Postupak u takvoj jedinici 30 za obradu obezbeđuje fazu izvršavanja operacije konvolucije između svakog digitalnog signala Sd primljenog sa kopijom test signala (S(t)), koji služi u odgovarajućoj memoriji jedinice 30 za obradu.

[0076] Takva operacija konvolucije generiše autokorelacioni signal AC sličan onom koji je prikazan na fig.

5. Takva fig.5 određenije prikazuje primer autokorelacionog signala AC u odnosu na dodatni autokorelacioni signal AR dobijen od pravougaonog signala.

[0077] Uz pozivanje na fig.5, vredno je pomenuti da je širina glavne petlje -3dB autokorelacionog signala AC dobijenog od test signala (S(t)) obrnuto proporcionalna širini pojasa B takvog signala.

[0078] Štaviše, ako isti test signal (S(t)) primljen od senzora 2 potiče od prvog i drugog izvora kalibracije zvuka raspoređen na međusobnom rastojanju d1, jedinica 30 za obradu je konfigurisana tako da generiše prvi AC1 i drugi AC2 autokorelacioni signal sa međusobnim vremenskim pomeranjem koje je direktno proporcionalno rastojanju d1 između takvih izvora. Detaljnije, takvo vremensko pomeranje je jednako odnosu d1/vs, u kojem vs predstavlja brzinu zvuka.

[0079] Primera radi, fig.6 prikazuje prvi AC1 i drugi AC2 autokorelacioni signal koji generiše isti test signal (S(t)), moduliran u pojasu frekvencije B=10kHz i koji emituju dva odvojena izvora kalibracije zvuka na međusobnom rastojanju od d1=30 cm. Uz pozivanje na primer na fig.6, najviši delovi autokorelacionih funkcija AC1 i AC2 su međusobno razdvojeni oko jedne milisekunde. Širina glavne petlje autokorelacije na -3dB za gorepomenute funkcije (dobijene presecanjem lupe horizontalnom pravom linijom koja prolazi kroz -3dB) je jednaka oko 0.1 millisekundi, što odgovara oko 3 cm.

[0080] Najviši položaj funkcija može samim tim biti procenjen sa preciznošću jednakom najmanje 3/√12, koja je dovoljna za predloženu primenu.

[0081] Takav postupak, koji je ponovljen za signale koje emituju tri izvora kalibracije i za svaki mikrofon 2 niza 1, omogućava jedinici 30 za obradu da sakuplja procenjena rastojanja između pikova povezanih autokorelacionih funkcija radi generisanja korekcione matrice.

[0082] Elementi gorepomenute korekcione matrice predstavljaju korekciju koja se primenjuje na svaki mikrofon 2 i na kanal povezanog prijmenika pre faze formiranja snopa. Detaljnije, takve korekcije se primenjuju na zvučne signale niskog intenziteta i niske frekvencije koje prima i uzorkuje svaki kanal prijemnika mikrofona 2, i može biti izražen kao pozitivno ili negativno vremensko pomeranje uzoraka takvih signala.

[0083] Drugim rečima, kalibracija akustičnih senzora 2 sklopa 1 obuhvata sledeće faze:

1

- emitovanje redom, u prethodno podešenim vremenskim intervalima, najmanje jednog kalibracionog test signala (S(t)) od strane tri izvora kalibracije zvuka elektronskog instrumenta 5 za kalibraciju;

- primanje, od strane bilo kog od akustičnih senzora 2 sklopa 1, tri test signala S(t) koja potiču od svakog od pomenutih izvora zvukova da bi se generisali digitalni signali Sd koji se šalju jedinici 30 za obradu;

- izvršavanje, od strane jedinice 30 za obradu, konvolucije između svakog od tri signala Sd primljenog sa kopijom test signala S(t) emitovanog da bi se generisala tri autokorelaciona signala AC;

- izračunavanje, od poznatog rastojanja d1 između izvora za kalibraciju zvuka, odgovarajućeg rastojanja između delova na -3db tri autokorelaciona signala radi procene vremenskog pomeranja između uzoraka primljenih test signala S(t);

- ponavljanje pomenutih faza izvršavanja i izračunavanja za svaki akustični senzor 2 sklopa 1, i - generisanje, od strane jedinice 30 za obradu, korekcione matrice čiji elementi predstavljaju korekcije u vremenskom pomeranju koje mogu da se primene na uzorke signala koje emituju izvori zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije primljeni od svakog akustičnog senzora 2 sklopa 1.

[0084] Akustični sistem 100 ovog pronalaska je konfigurisan, u radnim uslovima,tako da se primenjuje i izvršavaju algoritmi digitalnog formiranja snopa kako bi se stimulisalo skeniranje svih mogućih smerova prijemnika zvučnog signala kako bi se detektovali i locirali izvori zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije, kao što su na primer, glasovi ili pozivi koje emituju pojedinci zarobljeni u ruševinama zgrada nakon katastrofalnog događaja, kao što je zemljotres.

[0085] Kao što je poznato, pojam formiranje snopa se koristi da se označe razni procesni algoritmi signala koje primaju mikrofoni 2 akustičnog niza 1 tako da se ovaj drugi fokusira na određeni smer i okreće se ka njemu bez izvođenja intervencije na strukturi niza 1 ili na broj ili na raspored mikrofona 2 niza.

[0086] Određenije, formiranje snopa se sastoji od prostornog filtriranja koje može da se primeni na elemente niza, u slučaju tokom ispitivanja, mikrofona akustičnog niza, u svetlu (prostorne) raznolikosti signala primljenih od svakog od njih.

[0087] Prema kriterijumima sa kojima se izračunavaju koeficijenti koji karakterišu gore pomenuti prostorni filter, algoritmi za formiranje snopa mogu da se razlože na:

- algoritme zavisne od podataka;

- odlične algoritme sa statističke tačke gledišta.

[0088] Koeficijenti u algoritmima zavisnim od podataka ne zavise od podataka i izabrani su tako da je odgovor formirača snopa približan prethodno poznatom željenom odgovoru.

[0089] Svi primeri algoritama formiranja snopa opisani u nastavku poželjno mogu da se primenjuju akustičnim sistemom 100 ovog pronalaska.

[0090] Među algoritmima zavisnim od podataka, jedno od najčešćih i prihvatljivih rešenja je Bartlett formirač snopa, ili delay-and-sum (DAS) formiranje snopa. Detaljnije, DAS formiranje snopa je konfigurisano tako da se primenjuje odlaganje i težina amplitude na signal primljen od svakog elementa matrice, da se zatim dodaju svi udeli obrađeni na taj način. Odlaganja su izabrana tako da se maksimalno poveća osetljivost niza na emisije koje potiču iz određenog smera. Zapravo, pogodno podešavanje odlaganja omogućava signalima koje prikupljaju pojedinačni elementi niza da se konstruktivno dodaju, čime se niz zapravo usmerava u smeru konkretnog izvora. Dodatni podaci o DAS formiranju snopa su opisani u dokumentu koji se nalazi na linku:

http://www.labbookpages.co.uk/audio/formiranje snopa/delaySum.ht ml

[0091] Koeficijenti prostornog filtera u odličnim algoritmima sa statističke tačke gledišta su izabrani u skladu sa statistikom primljenih podataka. Izlaz koji obezbeđuju takvi algoritmi takođe sadrži udeo – iako minimalan – usled ometajućih signala i buke. Ovo su adaptivni algoritmi, dizajnirani tako da odgovor naginje statistički odličnom rešenju.

[0092] Među algoritmima druge kategorije vredno je pomenuti odgovor na izobličenje minimalne varijanse (MVDR). Takav MVDR algoritam je podešen da svede na minimum varijansu izlaznog signala sa ograničenjem linearnog usmerenja. Signali primljeni od elemenata niza se naročito koriste za izračunavanje prostornih koeficijenata kako bi se oslabio efekat buke i ometanja. Dodatni podaci o MVDR algoritmu su opisani u dokumentu na linku: https://www.med.ira.inaf.it/Medichats/29_01_2008/Medichat_29.01.2008.ppt

[0093] U konkretnom slučaju u kojem geometrija niza nije fiksna i nije poznata, kao što je kod akustičnog sistema 100 ovog pronalaska, operacije kalibracije mogu biti naročito opterećene sa kompjuterske tačke gledišta usled nasumične raspodele sastavnih elemenata. Algoritmi "slepog formiranja snopa" mogu da se koriste u ovim slučajevima, koji isključivo koriste podatke koje prikupljaju elemente niza da bi ove druge fokusirali i usmerili u određenom smeru. Primer algoritma formiranja snopa koji obuhvata tri nasumično raspoređena senzora je opisan u dokumentu YAO et al.: Blind Beamforming on a Randomly Distributed Sensor Array System, IEEE JOURNAL ON 15 SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL.16, NO.8, OCTOBER 1998).

[0094] Prednosti slepog formiranja snopa su mogućnost zanemarivanja dijagrama zračenja elemenata niza i osetljivost na greške u kalibraciji.

[0095] Na osnovu onoga što je ovde otkriveno, može se zaključiti da su akustični sistem 100 za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije ovog pronalaska i povezani postupak obezbeđeni naprednim funkcionalnostima za detektovanje akustičnih izvora i funkcionalnostima tačnosti prilikom lociranja osoba, pri čemu se istovremeno osigurava brzina primene, fleksibilnost i jednostavnost.

[0096] U odnosu na poznata rešenja, akustični sistem 100 ovog pronalaska određenije uključuje sledeće inovativne aspekte:

- tehnike digitalnog formiranja snopa i algoritme u "dalekom polju" za kombinovanje podataka reprezentativnih za akustične signale koje detektuju akustični senzori 2;

- kreiranje akustične slike dobijene modifikovanjem pravca slušanja akustičnog niza 1 a zatim interpolisanje snage izmerene na svakoj tački ravni 50 skeniranja; dobijeni skup podataka za svaki smer obuhvaćene oblasti 50 se određenije obrađuje da bi se dobio efekat mikrofona uperenog u generičkom smeru;

- upotreba akustičnih senzora 2 sa karakteristikama superiorne osetljivosti u odnosu na mikrofone koji su trenutno u upotrebi u drugim primenama, na primer kod pametnih telefona.

[0097] Štaviše, akustični sistem 100 ovog pronalaska poželjno:

- realizuje akustičnu matricu 1 šireg otvora blende od onog iz poznatih rešenja, određenije većeg od 3 metra, poželjno u opsegu od 10 - do 20 metara za odlične rezultate;

- omogućava fleksibilnost i u dimenzijama i u izgledu niza mikrofona, čime se obezbeđuje optimizovani učinak u odnosu na spoljašnju sredinu koja se prati;

- obezbeđuje brz raspored akustičnih senzora 2, imajući u vidu mogućnost rasporeda istih suštinski nasumično.

[0098] Akustični sistem 100 ovog pronalaska ima sledeće prednosti:

- obezbeđuje poboljšanu osetljivost na lociranje i tačnost u odnosu na trenutno dostupne uređaje;

- brza i jednostavna i fleksibilna primena, koja predstavlja značajan zahtev ukoliko se zarobljeni preživeli lociraju u ruševinama zgrada nakon javljanja katastrofalnog događaja, npr. zemljotresa; - sistem koji može biti rekonfigurisan u smislu dimenzija i izgleda, i koji takođe može biti pozicioniran na bezbednom rastojanju od praćene oblasti;

- koristi akustičnu tehnologiju kao efektivan komplement za sisteme radara ili seizmičke sisteme.

[0099] Na primer, sistemi detekcije radara trpe buku koja potiče od malih pokreta oko analiziranog mesta (protok vode, kretanje mase, itd.) koji mogu da uzrokuju lažne uzbune i probleme elektromagnetnog ometanja (uključujući celularne bazne stanice).

[0100] Seizmički sistemi trpe buku koju uzrokuju vibracije vozila, mašine ili ljudi i imaju ograničenu tačnost.

[0101] Nasuprot tome, gorepomenuta ograničenja se prevazilaze ovim pronalaskom. Kapacitet celokupne detekcije sistema 100 je poboljšan kombinacijom dobijenih signala koji potiču od akustičnih senzora 2 putem tehnika digitalnog formiranja snopa koje povećavaju osetljivost sistema 15 u odnosu na pojedinačne mikrofone 2 povezane sa nizom 1. Drugim rečima, preživeli koji upućuju pozive slabog intenziteta i/ili najudaljeniji od niza 1 mogu u bilo kom slučaju biti detektovani akustičnim sistemom 100.

1

Claims (15)

Štaviše, sistem 100 ovog pronalaska je adaptiran da kreira virtuelnu akustičnu kameru kreiranjem akustične slike datog mesta koja može da se postavi preko optičke slike koju obezbeđuje (opcioni) kamkorder. Patentni zahtevi

1. Akustični sistem (100) za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN), koji obuhvata:

- sklop (1) akustičnih senzora (2) za detektovanje akustičnih signala koje generišu pomenuti izvori zvuka i za generisanje podataka reprezentativnih za pomenute akustične signale;

- blok (20) elektronskog prijemnika konfigurisan tako da prima i analizira podatke reprezentativne za detektovane akustične signale;

- sredstva (15) bežične komunikacije za prenos pomenutih podataka reprezentativnih za akustične signale koje detektuju akustični senzori (2) do bloka (20) elektronskog prijemnika;

- jedinica (30) za obradu operativno povezana sa blokom (20) elektronskog prijemnika, pri čemu je pomenuta jedinica (30) za obradu konfigurisana za izvršavanje redom:

- operacije kalibrisanja akustičnih senzora (2) sklopa (1) kako bi se privremeno poravnali akustični signali primljeni od akustičnih senzora (2),

- operacije digitalnog formiranja snopa kako bi se kombinovali podaci reprezentativni za akustične signale koje detektuju akustični senzori (2) i kako bi se kreirala akustična slika oblasti istraživanja radi lociranja pomenutih izvora niskog intenziteta i niske frekvencije,

naznačen time, što sklop (1) akustičnih senzora obuhvata više od jedne grupe (4) akustičnih senzora (2), pri čemu svaka grupa (4) senzora uključuje veći broj akustičnih senzora (2) linearno raspoređenih duž zajedničkog nosača (6) odgovarajuće grupe.

2. Akustični sistem (100) prema zahtevu 1, koji dalje obuhvata elektronski instrument (5) za kalibraciju akustičnih senzora (2), povezan sa pomenutom jedinicom (30) za obradu putem sredstava (15) bežične komunikacije radi primanja početnih uputstava pomenute operacije kalibracije.

3. Akustični sistem (100) prema zahtevu 1, pri čemu je sklop (1) akustičnih senzora (2) konfigurisan tako da je najdalje međusobno rastojanje vazdušnom linijom između dve grupe (4) akustičnih senzora (2) u opsegu od 10 metara do 20 metara.

4. Akustični sistem (100) prema zahtevu 3, pri čemu su pomenute grupe (4) akustičnih senzora (2) sklopa (1) raspoređene unutar kugle prečnika koji je jednak pomenutom rastojanju koje je u opsegu od 10 metara do 20 metara.

5. Akustični sistem (100) prema zahtevu 2, pri čemu je pomenuti elektronski instrument (5) za kalibraciju konfigurisan tako da emituje, na osnovu početnih uputstava primljenih od jedinice (30) za obradu, najmanje jedan kalibracioni test signal (S(t)) u obliku talasa sa linearno varijabilnom frekvencijom tokom vremena.

6. Akustični sistem (100) prema zahtevu 5, pri čemu pomenuti najmanje jedan kalibracioni test signal (S(t)) ima linearno rastuću frekvenciju tokom vremena.

7. Akustični sistem (100) prema zahtevu 5 ili 6, pri čemu pomenuti elektronski instrument (5) za kalibraciju uključuje tri izvora za kalibraciju zvuka, pri čemu je svaki od njih konfigurisan tako da emituje pomenuti najmanje jedan kalibracioni test signal (S(t)).

8. Akustični sistem (100) prema bilo kom od prethodnih zahteva, pri čemu su pomenuti akustični senzori (2) mikrofoni.

9. Akustični sistem (100) prema bilo kom od prethodnih zahteva, pri čemu je izvor zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije ljudski glas čije su komponente frekvencije manje od 1000 Hz.

10. Postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN) pomoću akustičnog sistema (100) koji obuhvata:

- sklop (1) akustičnih senzora (2), pri čemu pomenuti sklop (1) obuhvata više od jedne grupe (4) akustičnih senzora (2), pri čemu svaka grupa (4) senzora uključuje veći broj akustičnih senzora (2) linearno raspoređenih duž zajedničkog nosača (6) odgovarajuće grupe,

- blok (20) elektronskog prijemnika,

- sredstva (15) bežične komunikacije,

- jedinicu (30) za obradu operativno povezanu sa blokom (20) elektronskog prijemnika,

pri čemu taj postupak obuhvata faze:

- izvršavanje, od strane jedinice (30) za obradu, operacije kalibrisanja akustičnih senzora (2) sklopa (1) kako bi se privremeno poravnao svaki akustični signal primljen od akustičnih senzora (2);

- detektovanje, od strane akustičnih senzora (2), akustičnih signala koje generišu pomenuti izvori zvuka i za generisanje podataka reprezentativnih za pomenute akustične signale;

- prenos, sredstvima (15) bežične komunikacije, pomenutih podataka reprezentativnih za akustične signale koje detektuju akustični senzori (2), do bloka (20) elektronskog prijemnika;

1

- primanje i analiziranje, od strane bloka (20) elektronskog prijemnika, podataka reprezentativnih za detektovane akustične signale;

- izvršavanje, od strane jedinice (30) za obradu, digitalnog formiranja snopa kako bi se kombinovali podaci reprezentativni za akustične signale koje detektuju akustični senzori (2) i kako bi se kreirala akustična slika oblasti istraživanja radi lociranja pomenutih izvora niskog intenziteta i niske frekvencije.

11. Postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN) prema zahtevu 10, pri čemu akustični sistem dalje obuhvata elektronski instrument (5) za kalibraciju akustičnih senzora (2), povezan sa pomenutom jedinicom (30) za obradu putem sredstava (15) bežične komunikacije, pri čemu pomenuta faza izvršavanja kalibracije akustičnih senzora (2) sklopa (1) obuhvata fazu emitovanja, od strane elektronskog instrumenta (5) za kalibraciju, najmanje jednog kalibracionog test signala (S(t)) u obliku talasa sa linearno varijabilnom frekvencijom tokom vremena.

12. Postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN) prema zahtevu 11, pri čemu pomenuti najmanje jedan kalibracioni test signal (S(t)) ima linearno rastuću frekvenciju tokom vremena.

13. Postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN) prema zahtevu 11, pri čemu pomenuta faza izvršavanja kalibracije akustičnih senzora (2) sklopa (1) dalje obuhvata faze:

- emitovanje redom, od strane tri izvora za kalibraciju zvuka elektronskog instrumenta (5) za kalibraciju, pomenutog najmanje jednog kalibracionog test signala (S(t)) u prethodno podešenim vremenskim intervalima;

- primanje, od strane bilo kog akustičnog senzora (2) sklopa (1), tri test signala (S(t)) koja potiču od svakog od pomenutih izvora zvukova radi generisanja tri digitalna signala (Sd) koja se šalju u jedinicu (30) za obradu;

- izvršavanje, od strane jedinice (30) za obradu, konvolucije između svakog od tri digitalna signala (Sd) primljena sa kopijom test signala (S(t)) emitovanog da bi se generisala tri autokorelaciona signala (AC);

- izračunavanje, od poznatog rastojanja (dl) između izvora za kalibraciju zvuka, odgovarajućeg rastojanja između delova na -3db tri autokorelaciona signala radi procene vremenskog pomeranja između uzoraka primljenih test signala (S(t));

- ponavljanje pomenutih faza izvršavanja i izračunavanja za svaki akustični senzor (2) sklopa (1), i - generisanje, od strane jedinice (30) za obradu, korekcione matrice čiji elementi predstavljaju reprezentativne korekcije u vremenskom pomeranju koji mogu da se primene na uzorke signala

1

koje emituju izvori zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije primljeni od svakog akustičnog senzora (2) sklopa (1).

14. Postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN) prema zahtevu 11, pri čemu je izvor zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije ljudski glas čije su komponente frekvencije manje od 1000 Hz.

15. Postupak za detektovanje i lociranje izvora zvuka niskog intenziteta i niske frekvencije u oblasti istraživanja (IN) prema zahtevu 11, pri čemu je taj sklop (1) akustičnih senzora (2) konfigurisan tako da je najdalje međusobno rastojanje vazdušnom linijom između dve grupe (4) akustičnih senzora (2) u opsegu od 10 metara do 20 metara.

1