CN111602647A - 一种相控阵强声驱鸟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种相控阵强声驱鸟装置，包括云台及转动连接在云台上的扬声器阵列，扬声器阵列通过阵列外壳支架活动连接在云台上，扬声器阵列连接电控单元，实现对扬声器阵列所接收的电信号进行控制，该装置驱鸟根据鸟禽的飞行方位和距离，利用电信号处理模块控制信号振幅、相位、频率实现发射声波信号的空间相互干涉建立特定的空间声场分布，即扬声器阵元在相同的电信号下，所发出的声波在远场区进行相干叠加后形成新的声场。本申请的方案通过改变各阵元电气特性参数来调整声场空间分布，将声场能量集中在主波束上，辐射距离更远，且利用多通道延时方法实现阵列波束在上下、左右方向的偏转，配合云台使用达到阵列系统360°全方位移动。

Description

一种相控阵强声驱鸟装置及方法

技术领域

本申请的技术方案属于声学设备及声波干涉合成方法技术领域，尤其涉及在机场、航空发射场、农作物种植场、高压电网架设线路等区域广泛使用的飞禽驱逐声学装置及驱逐方法，更为具体是一种相控阵强声驱鸟装置及方法。

背景技术

随着人类生产、生活活动的日益密集，很多环境区域中都需要驱逐飞禽进入该区域。例如：在机场飞机起飞、降落的区域及特定高度范围内，严格禁入鸟类进入，否则将对飞行产生重大安全隐患；在电网架设的区域由于鸟禽触电事故可能会导致整个电网运行的稳定性；在农产品种植区域，鸟群的侵入会引起农作物的减产，造成农作物损失。因此，在很多场合下都需要采用特殊的装置和方法来驱逐鸟禽避免危险和损失发生。在驱逐鸟群时，传统的方式是通过强烈的噪声驱散鸟群，但由于强噪声在方向上无法做出选择，同时对环境还附加了噪声污染，因此逐渐被具有高声强、多方向的声场所替换。现有强声驱鸟装置在各个领域中的应用是非常广泛的，取得的效果也是显著的，杜绝了大部分鸟害发生，保证了安全。这种强声驱鸟装置主要利用声学声场效应，对作业范围内活动的鸟类神经系统进行突发性刺激从而对具有潜在威胁的鸟禽进行有效驱离。强声驱鸟装置一般分为定向强声驱鸟装置和全向强声驱鸟装置两种，定向的装置可安装在云台部分实现全向驱鸟功能。在声场频率的选择上，如果频率选择过高将导致声场覆盖范围的降低，仅通过单一提高发射功率会导致设备的尺寸增加，从而造成成本增加、经济效益降低。如何利用低功率驱鸟装置，在低声场发射功率的情况下，达到大范围、快捷、定向对禁止飞禽进入的区域实施驱逐鸟禽的目的成为驱鸟设备研发的关键，这要求在驱鸟的声场原理和方法上进行创造性革新，探索一种新型高效驱散鸟禽的装置。

发明内容

本申请的技术方案，就是为解决现有的全向强声驱鸟装置在实现在全方位驱散功能时需要的工作声源功率高，作用距离短；安装在云台上的定向装置虽然增加了作用距离远，但通常速度较慢，声场能量不能集中在需要的方向上实现快速目标方向调整，无法实现跟踪驱散的目的。为克服现有强声驱鸟装置中存在的缺陷和不足，本申请提出一种利用声场干涉原理快速调节声场波振面的驱鸟装置和方法，即一种相控阵强声驱鸟装置，该装置由多个扬声器阵元按照一定的几何阵型排列组成的阵列式扬声系统，通过改变各阵元电气特性参数来调整声场空间分布，将声场能量集中在主波束上，使辐射距离更远，且利用多通道延时方法实现阵列波束在上下、左右方向可偏转，阵列波束瞬时可偏转到鸟类飞行或停留的方向，再配合云台使用，可使阵列系统360°全方位移动，在鸟类的不定向飞行过程中持续跟踪，弥补了现有驱鸟技术的缺陷和不足。

实现上述发明目的的本申请采用技术方案为：一种相控阵强声驱鸟装置，包括云台及转动连接在云台上的扬声器阵列，扬声器阵列通过阵列外壳支架活动连接在云台上，扬声器阵列连接电控单元，实现扬声器阵列所接收的电信号的控制。驱鸟装置的扬声器阵列由至少两个以上扬声器阵元按照矩阵排列方式组成；云台能够俯仰及水平转动，从而达到扬声器阵列的全方位调整；转动连接在云台上的阵列外壳支架也能够进行俯仰转动。矩阵阵列式的扬声器排列方式能够有效实现不同扬声器发射声场的相互干涉和叠加，从而有效在空间产生声场的增强区域，阵列外壳支架一方面实现扬声器的稳定固定，另一方面通过上、下转动实现声场传播方向的改变，同时配合云台的转动和俯、仰动作快速调整声波方向，实现360度全方向无死角追踪。

上述技术方案中的电控单元包括电信号处理模块和多通道延时模块：电信号处理模块对信号振幅、相位、频率进行调节，多通道延时模块对不同扬声器阵元的电信号实现延时控制。通过上述模块的控制，各个扬声器单元上的声波参数都可以准确调整，通过不同扬声器声波延时，其干涉加强的波场分布发生变化，从而改变波阵面的空间分布，实现波阵面位置和方向变化。

利用上述相控阵强声驱鸟装置进行驱鸟的方法步骤如下：

(1)接收鸟禽的飞行轨迹信息，并通过云台转动予以追踪；

(2)根据鸟禽的飞行方位和距离，电信号处理模块对信号振幅、相位、频率调整实现发射声波信号的空间相互干涉，建立特定的空间声场分布，即扬声器阵元在相同的电信号下，所发出的声波在远场区进行相干叠加后形成新的声场，声压得到增强且具有指向性；

(3)通过多通道延时模块的延时调节改变不同扬声器阵元的声波延时量，从而实现合成声波波阵面的变化，即实现波束的偏转。

(4)上述波束的偏转方向始终位于鸟禽飞行轨迹前方，从而鸟禽始终感受到一个强声场的存在，实现驱散鸟群的作用。

本申请的驱鸟方法中，利用云台、阵列外壳支架的运动能够根据鸟群的飞行方位进行快速调整。在调整位置的同时，电控单元根据声波场干涉、叠加原理对不同扬声器声音信号的参数进行调整，使其声场的干涉最大区域始终位于鸟禽飞行方向的前方，从而使鸟群始终面对最强的声场区域，达到改变鸟群飞行方向的目的。在上述调节过程中，云台、阵列外壳支架的转动与波阵面变化调节保持匹配关系，保证在特定区域内的声场总处于最强的分布。

本申请的方案所具备的主要优点在于：(1)本技术方案与其他传统的强声驱鸟设备相比在相同工作功率条件下，声能量的衰减更缓慢，其声能量辐射距离更远，抗干扰能力更强；(2)技术可以在垂直和水平两个方向实现声能波束移动，且在控制云台系统配合下，实现360度全方向无死角移动方位，且具备对鸟类持续跟踪的能力；(3)本申请中的电扫描处理技术控制云台系统相比较传统云台转动速度非常非常之快，几乎没有时间上的延迟，能快速跟踪到远距离的鸟禽的飞行轨迹，其远距离跟踪速度更加快速高效；(4)本申请技术具有强的指向性，声场能量可以进行角度偏转，能够集中在想要的方向上快速对准目标方向，对鸟类进行迅速驱散；(5)本申请的技术可以利用人工智能主动让鸟禽飞离特定区域，帮助鸟禽设计飞行方向，直逼目标，其驱散目标更加明确，更具备自我主动性。

附图说明

图1为本申请的相控阵强声驱鸟装置结构示意图；

图2为本申请中利用各扬声器延时实现波阵面变化的原理示意图；

图3为本申请的驱鸟装置在机场跑道区域建立强声场区的示意图；图中，1、云台；2、扬声器阵列；3、阵列外壳支架。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的技术方案做进一步的解释和说明，如图1所示，本申请的相控阵强声驱鸟装置包括了云台1、扬声器阵列2及阵列外壳支架3，扬声器阵列通过阵列外壳支架活动连接在云台上，扬声器阵列连接电控单元，实现对扬声器阵列所接收的电信号控制。图1的实施例中，4个扬声器采用矩阵排列方式固定在阵列外壳支架上，再与云台活动连接。当需要变换声波的发射方向时，阵列外壳支架可以带动扬声器的俯仰角度变化，同时云台可以在垂直和水平方向旋转，从而实现扬声器根据需要在全空间360°的范围内调节方向。与扬声器阵列连接电控单元包括电信号处理模块和多通道延时模块：电信号处理模块对信号振幅、相位、频率进行调节，多通道延时模块对不同扬声器阵元的电信号实现延时控制。通过电信号处理模块和多通道延时模块对各扬声器声场参数的调节，利用声场相互干涉、叠加原理可得到不同空间位置的声场分布：即在某个特定的方向上，使用波束形成技术对声场能量进行聚焦获得类似聚光灯聚焦光线的效果。同时，使用信号处理技术实现波束在空间上一定角度的偏转，并在配合云台系统使用的情况下，阵列波束可360度无死角移动方位，具备对鸟类持续跟踪的能力。本申请方案相控阵强声驱鸟装置研发的理论基础是根据声波在声场中的叠加和干涉的声场基础理论，两列具有相同频率、固定相位差的声波在声场会发生干涉。在远场条件下，对扬声器阵列多个阵元的合成声场进行计算，通过归一化得到相控扬声器阵列的指向性图。通过改变各个通道的时间延迟，实现声场指向性角度偏转，如图2所示，给出了5个扬声器单元的声源在空间形成干涉的声强波阵面图。当五个扬声器的声源发射同样频率的同源声波信号时，其声波在空间形成干涉，在某些特定的空间位置声场增强形成波阵面，其波阵面的空间位置与声源位置有关，通过调节每个扬声器上声源发射信号延迟，相当于调节了声源位置，从而改变了声波干涉增强面及波阵面的位置，进而实现强波面的调整。图2中，x对应的是相对于初相位为0的其他阵元延时后延迟的传播距离。由图可知x＝ct，式中c为声音在媒介中传播的声速，t是延迟的时间，声波相干叠加偏转后在垂直方向上偏转±10度左右时，偏转后的波束声压强度最高，指向性最强。通过改变各个通道的延时，改变声场的指向性，使之朝一个方向偏转，并且延时越多，声场的波束偏转的越多，从而实现声波干涉叠加后垂直方向的声波偏转移动。

本申请中基于FPGA的相控扬声器阵列控制系统设计，对多通道的相位延迟实现了控制。利用FPGA的触发器门电路可实现精确延时，选择FPGA芯片作为信号处理芯片，分别设计主芯片的配置电路，音频输入电路和电源模块，基于该信号处理板能够达到精度为ns级别的的多通道延时，可以实现了波束的偏转。

实际使用中，控制云台与扬声器阵列配合使用设计成一体机。通过云台的控制系统可以改变相控阵扬声器阵列水平方向上移动角度。云台在宏观上360°全方向无死角移动，实现了对鸟禽全方位持续跟踪驱散。同时声波波束干涉叠加，在垂直方向上通过延时信号处理，实现了在微观上的波束偏转移动，瞬时可偏转到鸟类飞行或停留的方向快速对准目标进行驱散，并且在鸟类的不定向飞行过程中持续跟踪。控制系统的核心部分是利用电扫描技术，电路高效集成模块控制云台系统的转动，并能实现几乎瞬时的声能波束移动控制。与传统云台转动相比其速度非常之快，几乎没有时间上的延迟，能快速跟踪到远距离的鸟禽的飞行轨迹，瞄准目标更高效。

图3为本申请的驱鸟装置在机场跑道区域建立强声场区的示意图。根据跑道的位置，声波能量辐射出的主波束在鸟禽前方位置，同时通过探测设备获知鸟禽的位置，当鸟禽飞向跑道时，在未到达跑道上空方向上就会接收到设备辐射出的声波刺激，且鸟禽越向前飞声场能量密度越大，发射出的声波声压逐级增强，从而对鸟禽的神经系统刺激越强烈，主动迫使鸟禽迅速飞离跑道，实现了利用人工智能主动驱离鸟禽，帮助鸟禽设计飞行方向，在很大程度上避免了鸟害事故，大大保证了机场安全。

以上所述实施方式仅表达了本申请技术方案的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本专利申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种相控阵强声驱鸟装置，包括云台(1)及转动连接在云台上的扬声器阵列(2)，其特征在于，扬声器阵列通过阵列外壳支架(3)活动连接在云台上，扬声器阵列连接电控单元，实现对扬声器阵列所接收的电信号进行控制。

2.根据权利要求1所述的相控阵强声驱鸟装置，其特征在于，扬声器阵列由至少两个以上扬声器阵元按照矩阵排列方式组成。

3.根据权利要求1所述的相控阵强声驱鸟装置，其特征在于，云台能够俯、仰及水平转动，从而实现扬声器阵列的全方位调整。

4.根据权利要求1所述的相控阵强声驱鸟装置，其特征在于，转动连接在云台上的阵列外壳支架能够进行俯、仰转动。

5.根据权利要求1所述的相控阵强声驱鸟装置，其特征在于，电控单元包括电信号处理模块和多通道延时模块。

6.根据权利要求5所述的相控阵强声驱鸟装置，其特征在于，电信号处理模块对信号振幅、相位、频率进行调节，多通道延时模块对不同扬声器阵元的电信号实现延时控制。

7.利用1-6任一权利要求所述的相控阵强声驱鸟装置进行驱鸟的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)接收鸟禽的飞行轨迹信息，并通过云台转动予以追踪；

(2)根据鸟禽的飞行方位和距离，电信号处理模块控制信号振幅、相位、频率实现发射声波信号的空间相互干涉建立特定的空间声场分布，即扬声器阵元在相同的电信号下所发出的声波在远场区进行相干叠加后形成新的声场，声压得到增强且具有指向性；

(3)通过多通道延时模块的延时调节改变不同扬声器阵元的声波延时量，从而实现合成声波波阵面的变化，即实现波束的偏转。

(4)上述波束的偏转方向始终位于鸟禽飞行轨迹的前方，从而鸟禽始终感受一个强声场的存在，实现驱散鸟群的作用。

8.根据权利要求7所述的驱鸟方法，其特征在于，步骤(1)的云台转动与步骤(3)的波阵面变化调节保持匹配关系。

9.根据权利要求7所述的驱鸟方法，其特征在于，通过云台转动和电信号处理模块、多通道延时模块的声场控制，在特定的区域实现声场逐渐增强的空间分布，从而阻止鸟群进入该区域。

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