Microphone Array Verification for Broadband Sodar
Mattila, Matti (2014)
Mattila, Matti
2014
Signaalinkäsittelyn ja tietoliikennetekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2014-06-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201406061291
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201406061291
Tiivistelmä
Monet seurantajärjestelmät kuten tutka (engl. radar) toimivat lähettämällä signaalia ja kuuntelemalla kaikuja tästä lähetetystä signaalista. Tutkan tapauksessa lähetetty signaali on radioaalto. Ääniaaltoja voidaan myös käyttää kuten radioaaltoja tutkassa ja väliaineen ollessa ilma kutsutaan laitetta äänitutkaksi (engl. sodar). Tutkassa vastaanotto ja lähetys tapahtuvat antenneilla, kun taas äänitutkassa mikrofoneilla ja kaiuttimilla. Kohteen etäisyys saadaan laskemalla aika signaalin lähetyksen ja kaiun vastaanoton välillä. Kohteen suunta taas saadaan selvitettyä kääntämällä vastaanottavia sensoreita.
Tämä diplomityö on osa isompaa kokonaisuutta, joka tähtää halpaan tutkan toiminnallisuuden testausjärjestelmään. Työn tavoitteena oli selvittää riittääkö halpojen mikrofonien tarkkuus laajakaistaisen äänitutkan toteuttamiseen. Tämän selvittämistä varten tutustuttiin ensimmäisenä äänitutkan taustalla tapahtuviin ilmiöihin. Koska äänitutkaan liittyvää kirjallisuutta on tehty verrattain vähän esiteltiin se tutkan teorioiden avulla. Työssä käsitellään myös keilanmuodostusta. Keilanmuodostus on signaalinkäsittelymenetelmä sensoriryhmän spatiaalisen toiminallisuuden hallintaan. Keilanmuodostus parantaa suorituskykyä, mahdollistaa digitaalisen keilankääntämisen sekä laajan taajuuskaistan hallinan.
Itse mikrofonien varmentaminen tapahtui tekemällä teoreettiset simulaatiot sekä käytännön mittaukset ja vertailemalla näitä keskenään. Ensimmäisten mittausten jälkeen tuli jo selväksi että ostetut mikrofonit riittävät äänitutkan toteuttamiseen. Tällaisenaan mikrofonien epäideaalisuudet näkyvät ryhmän keilakuviossa. Tämän takia mikrofonit pitää kalibroida ennen käyttöä ja siksi tämä työ esittelee myös mikrofonikalibrointimenetelmän, jonka jälkeen keilakuvio on verrattain lähellä ideaalitapausta. Työssä mitattiin ja simuloitiin myös digitaalista keilankääntöä sekä laajakaistaista keilanmuodostusta. Molemmissa tapauksissa mittaustulokset ovat lähellä ideaalisia simulaatioita. Täten työ todistaa, että ostetut mikrofonit ovat riittävät laajakaistaiseen äänitutkasovellukseen. Many surveillance systems, such as radar (radio detection and ranging), work in a way that a signal is transmitted and its echoes are detected. In the case of radar, the transmitted wave is a radio wave. When sound waves are used instead of radio waves and the medium is air, the system is called sodar (sonic detection and ranging). In radar, antennas are the receiving and transmitting sensors, while in sodar the sensors are microphones and speakers. The range of the target can be determined by calculating the time between the transmission of the signal and the reception of the echo. The bearing of the target can be determined by rotating the receiving sensors.
This thesis is a part of a project that aimed to develop a cheap radar-emulation environment. The main objective of the thesis was to verify if inexpensive microphones are feasible for a microphone array implementation for the broadband sodar. First, the phenomena behind sodar were studied. Since literature on the topic is scarce, sodar is explained with the theories of radar. The concept of the beamforming was also studied. Beamforming is a signal processing method for controlling the spatial properties of a sensor array. Beamforming enhances the performance, and enables both digital beam steering and the control of the broad frequency band signals.
The microphone veri cation was accomplished with theoretical simulations and practical measurements, and comparing these. After the rst measurement it already became clear that the microphones studied are capable for the sodar implementation. However, the microphone unidealities are apparent in the beam pattern of the measured array. For this reason, the microphones should be calibrated before use. Thus, this thesis introduces a microphone calibration method after which the beam pattern becomes nearly ideal. The digital beam streering and broadband beamforming were also simulated and measured. In both cases, the measurement result is close to the ideal models. Thus, this thesis proves that inexpensive microphones are capable for broadband sodar implementation.
Tämä diplomityö on osa isompaa kokonaisuutta, joka tähtää halpaan tutkan toiminnallisuuden testausjärjestelmään. Työn tavoitteena oli selvittää riittääkö halpojen mikrofonien tarkkuus laajakaistaisen äänitutkan toteuttamiseen. Tämän selvittämistä varten tutustuttiin ensimmäisenä äänitutkan taustalla tapahtuviin ilmiöihin. Koska äänitutkaan liittyvää kirjallisuutta on tehty verrattain vähän esiteltiin se tutkan teorioiden avulla. Työssä käsitellään myös keilanmuodostusta. Keilanmuodostus on signaalinkäsittelymenetelmä sensoriryhmän spatiaalisen toiminallisuuden hallintaan. Keilanmuodostus parantaa suorituskykyä, mahdollistaa digitaalisen keilankääntämisen sekä laajan taajuuskaistan hallinan.
Itse mikrofonien varmentaminen tapahtui tekemällä teoreettiset simulaatiot sekä käytännön mittaukset ja vertailemalla näitä keskenään. Ensimmäisten mittausten jälkeen tuli jo selväksi että ostetut mikrofonit riittävät äänitutkan toteuttamiseen. Tällaisenaan mikrofonien epäideaalisuudet näkyvät ryhmän keilakuviossa. Tämän takia mikrofonit pitää kalibroida ennen käyttöä ja siksi tämä työ esittelee myös mikrofonikalibrointimenetelmän, jonka jälkeen keilakuvio on verrattain lähellä ideaalitapausta. Työssä mitattiin ja simuloitiin myös digitaalista keilankääntöä sekä laajakaistaista keilanmuodostusta. Molemmissa tapauksissa mittaustulokset ovat lähellä ideaalisia simulaatioita. Täten työ todistaa, että ostetut mikrofonit ovat riittävät laajakaistaiseen äänitutkasovellukseen.
This thesis is a part of a project that aimed to develop a cheap radar-emulation environment. The main objective of the thesis was to verify if inexpensive microphones are feasible for a microphone array implementation for the broadband sodar. First, the phenomena behind sodar were studied. Since literature on the topic is scarce, sodar is explained with the theories of radar. The concept of the beamforming was also studied. Beamforming is a signal processing method for controlling the spatial properties of a sensor array. Beamforming enhances the performance, and enables both digital beam steering and the control of the broad frequency band signals.
The microphone veri cation was accomplished with theoretical simulations and practical measurements, and comparing these. After the rst measurement it already became clear that the microphones studied are capable for the sodar implementation. However, the microphone unidealities are apparent in the beam pattern of the measured array. For this reason, the microphones should be calibrated before use. Thus, this thesis introduces a microphone calibration method after which the beam pattern becomes nearly ideal. The digital beam streering and broadband beamforming were also simulated and measured. In both cases, the measurement result is close to the ideal models. Thus, this thesis proves that inexpensive microphones are capable for broadband sodar implementation.