CN113316062A - 一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，属于定向声波发射技术领域，其包括以下步骤：S1、通过雷达获取目标物区域内的场景地图；S2、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间进行划分，得到目标物空间区域栅格化数据；S3、提取各目标物的特征值，并进行栅格化处理，得到各目标物的特征值栅格化数据；S4、进行有效区域的匹配，得到有效区域栅格化数据；S5、进行音频调制，得到各目标物的音频调制算子；S6、构建音频信息，通过换能器环形阵列播放出来，形成定向强声发射，完成全向音频调制；本发明解决了现有定向声波发射技术中存在声压级低和功耗大的问题。

Description

一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法
技术领域
本发明涉及定向声波发射技术领域，具体涉及一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法。
背景技术
定向声发射技术在国民生活中有着广泛的应用和实际意义。该技术将声波以集束的方式传输，使声波的传播具有指向性，实现在小发射角度远距离的声波发射。可以在较远距离上通过高声强声音的方式对特定目标物或人群进行驱散或警示。
但是，定向声波发射技术限制了声波的覆盖区域，存在覆盖范围小的问题。为满足全向声波覆盖，需要增加复杂的伺服机构，增加了系统的复杂性、降低了系统的可靠性，具有实时性差、功耗大、成本高等问题。而全向声波发射系统通常一般基于全向声碟进行设计，覆盖范围广，但存在声压级低、功耗大的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法解决了现有定向声波发射技术中存在声压级低和功耗大的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，包括以下步骤：
S1、通过雷达获取目标物区域内的场景地图；
S2、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间进行划分，得到目标物空间区域栅格化数据；
S3、提取各目标物的特征值，并进行栅格化处理，得到各目标物的特征值栅格化数据；
S4、根据目标物空间区域栅格化数据和各目标物的特征值栅格化数据，进行有效区域的匹配，得到有效区域栅格化数据；
S5、根据有效区域栅格化数据，构建空间权值矩阵，进行音频调制，得到各目标物的音频调制算子；
S6、根据各目标物的音频调制算子，构建音频信息，通过换能器环形阵列播放出来，形成定向强声发射，完成全向音频调制。
进一步地，步骤S1中雷达包括：激光雷达和毫米波雷达。
进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间构成目标物空间区域；
S22、将目标物空间区域栅格化处理，并存储为标准栅格数据结构，得到目标物空间区域栅格化数据。
进一步地，步骤S3包括以下分步骤：
S31、实时监测目标物区域内的各目标物的动态信息；
S32、将各目标物的动态信息与场景地图进行比对，得到各目标物的特征值；
S33、将各目标物的特征值栅格化处理，并存储为标准栅格数据结构，得到各目标物的特征值栅格化数据。
进一步地，步骤S32中各目标物的特征值包括：目标物的方位、目标物的距离、目标物的拐点和目标物的边界线。
上述进一步方案的有益效果为：可同时获取多目标的特征值，实现多目标的发现、识别和驱散，提高系统实时性。
进一步地，步骤S4包括以下分步骤：
S41、根据目标物空间区域栅格化数据和各目标物的特征值栅格化数据，得到各目标物所覆盖的区域；
S42、根据各目标物所覆盖的区域，确定换能器环形阵列声波发射的有效区域；
S43、将换能器环形阵列声波发射的有效区域进行栅格化处理，存储为标准栅格数据结构，得到有效区域栅格化数据。
进一步地，步骤S5包括以下分步骤：
S51、根据有效区域栅格化数据，以及各目标物成像在当前的有效区域内所占面积与当前栅格单元面积的比值，得到各有效区域的权值；
S52、根据各有效区域的权值，构建空间权值矩阵；
S53、将空间权值矩阵栅格化处理，存储为标准栅格数据结构，得到各目标物的音频调制算子。
进一步地，步骤S6包括下分步骤：
S61、将各目标物的音频调制算子与原始的音频数据进行卷积运算，生成不同频段和不同强度的音频信息；
S62、将不同频段和不同强度的音频信息分别输出到换能器环形阵列的主换能器和辅换能器中；
S63、通过主换能器和辅换能器将音频信息播放出来，形成定向强声发射，完成全向音频调制。
上述进一步方案的有益效果为：音频信息为以目标物为基准进行调制后的定向强声，实现全向音频调制，提高系统声波发射的有效性。
综上，本发明的有益效果为：
1)、基于换能器环形阵列设计，无需复杂伺服机构，系统具有结构简单、可靠性高和成本低等优点。
2)、根据目标位置关系，得到栅格化的音频调制算子，将全部发射功率自动分配并集中于主、辅换能器中，而无效换能器不产生功率消耗。相比于传统的定向声波发射技术，可有效增加声波发射效率，降低系统功耗、提高系统实时性和可多目标驱散等。
附图说明
图1为一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法的流程图。
图2为目标物的音频调制算子应用实例示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，包括以下步骤：
S1、通过激光雷达或毫米波雷达获取目标物区域内的场景地图；
S2、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间进行划分，得到目标物空间区域栅格化数据；
步骤S2包括以下分步骤：
S21、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间构成目标物空间区域；
换能器环形阵列包括m行n列(m、n为整数)环形等角度分布的换能器，换能器环形阵列设计为360°环形阵列，每个强声换能器频响曲线一致，等角度分布，且根据与待驱离目标的位置关系分为主换能器和辅换能器。
换能器对应的单元空间可以部分重叠，以提高重点区域的防控能力。
S22、将目标物空间区域栅格化处理，并存储为标准栅格数据结构，得到目标物空间区域栅格化数据。
S3、提取各目标物的特征值，并进行栅格化处理，得到各目标物的特征值栅格化数据；
步骤S3包括以下分步骤：
S31、实时监测目标物区域内的各目标物的动态信息；
S32、将各目标物的动态信息与场景地图进行比对，得到各目标物的特征值；
步骤S32中各目标物的特征值包括：目标物的方位、目标物的距离、目标物的拐点和目标物的边界线。
S33、将各目标物的特征值栅格化处理，并存储为标准栅格数据结构，得到各目标物的特征值栅格化数据。
S4、根据目标物空间区域栅格化数据和各目标物的特征值栅格化数据，进行有效区域的匹配，目标物所覆盖的区域确定声波发射的有效区域，得到有效区域栅格化数据；
声波发射有效区域中可包括若干主换能器和若干辅换能器。根据目标的大小、距离的不同可匹配不同形式的换能器环形阵列，输出不同指向性和声压级的定向强声。
步骤S4包括以下分步骤：
S41、根据目标物空间区域栅格化数据和各目标物的特征值栅格化数据，得到各目标物所覆盖的区域；
S42、根据各目标物所覆盖的区域，确定换能器环形阵列声波发射的有效区域；
S43、将换能器环形阵列声波发射的有效区域进行栅格化处理，存储为标准栅格数据结构，得到有效区域栅格化数据。
S5、根据有效区域栅格化数据，构建空间权值矩阵，进行音频调制，得到各目标物的音频调制算子；
步骤S5包括以下分步骤：
S51、根据有效区域栅格化数据，以及各目标物成像在当前的有效区域内所占面积Sij与当前栅格单元面积S的比值，得到各有效区域的权值Sij/S，按以下方法对各有效区域的权值Sij/S进行赋值处理：
有效区域内被目标物成像完全覆盖的换能器为主换能器，Sij/S＝1；
有效区域内未被目标物成像覆盖的换能器为无效换能器，Sij/S＝0；
有效区域内未被目标物成像完全覆盖的换能器为辅换能器，0<Sij/S<1；
S52、根据各有效区域的权值的赋值，构建空间权值矩阵A；
Figure BDA0003084421550000061
其中，Sij为目标物成像在当前的有效区域内所占面积，S为当前栅格单元面积，Sij/S为有效区域的权值，i、j为阵列的序号值(2≤i≤m，2≤j≤n)；
S53、将空间权值矩阵栅格化处理，存储为标准栅格数据结构，得到各目标物的音频调制算子，如图2所示。
S6、根据各目标物的音频调制算子，构建音频信息，通过换能器环形阵列播放出来，形成定向强声发射，完成全向音频调制。
步骤S6包括下分步骤：
S61、将各目标物的音频调制算子与原始的音频数据进行卷积运算，生成不同频段和不同强度的音频信息；
S62、将不同频段和不同强度的音频信息分别输出到换能器环形阵列的主换能器和辅换能器中；
S63、通过主换能器和辅换能器将音频信息播放出来，将音频信息有选择性的释放出来，形成定向强声发射，完成全向音频调制。

Claims (8)

1.一种基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过雷达获取目标物区域内的场景地图；
S2、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间进行划分，得到目标物空间区域栅格化数据；
S3、根据场景地图提取各目标物的特征值，并进行栅格化处理，得到各目标物的特征值栅格化数据；
S4、根据目标物空间区域栅格化数据和各目标物的特征值栅格化数据，进行有效区域的匹配，得到有效区域栅格化数据；
S5、根据有效区域栅格化数据，构建空间权值矩阵，进行音频调制，得到各目标物的音频调制算子；
S6、根据各目标物的音频调制算子，构建音频信息，并利用换能器环形阵列播放，形成定向强声发射，完成全向音频调制。
2.根据权利要求1所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S1中雷达包括：激光雷达和毫米波雷达。
3.根据权利要求1所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、将换能器环形阵列中所有换能器对应的单元空间构成目标物空间区域；
S22、将目标物空间区域栅格化处理，并存储为标准栅格数据结构，得到目标物空间区域栅格化数据。
4.根据权利要求1所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：
S31、实时监测目标物区域内的各目标物的动态信息；
S32、将各目标物的动态信息与场景地图进行比对，得到各目标物的特征值；
S33、将各目标物的特征值栅格化处理，并存储为标准栅格数据结构，得到各目标物的特征值栅格化数据。
5.根据权利要求4所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S32中各目标物的特征值包括：目标物的方位、目标物的距离、目标物的拐点和目标物的边界线。
6.根据权利要求1所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：
S41、根据目标物空间区域栅格化数据和各目标物的特征值栅格化数据，得到各目标物所覆盖的区域；
S42、根据各目标物所覆盖的区域，确定换能器环形阵列声波发射的有效区域；
S43、将换能器环形阵列声波发射的有效区域进行栅格化处理，存储为标准栅格数据结构，得到有效区域栅格化数据。
7.根据权利要求1所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：
S51、根据有效区域栅格化数据，以及各目标物成像在当前的有效区域内所占面积与当前栅格单元面积的比值，得到各有效区域的权值；
S52、根据各有效区域的权值，构建空间权值矩阵；
S53、将空间权值矩阵栅格化处理，存储为标准栅格数据结构，得到各目标物的音频调制算子。
8.根据权利要求1所述的基于换能器环形阵列的全向音频调制方法，其特征在于，所述步骤S6包括下分步骤：
S61、将各目标物的音频调制算子与原始的音频数据进行卷积运算，生成不同频段和不同强度的音频信息；
S62、将不同频段和不同强度的音频信息分别输出到换能器环形阵列的主换能器和辅换能器中；
S63、利用主换能器和辅换能器对音频信息进行播放，形成定向强声发射，完成全向音频调制。
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