[论文解读] Low-cost, high-power mechanical impact transducers for sonar and acoustic through-wall surveillance applications

F. S. Felber|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2014

Underwater Acoustics Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种低成本、高功率的机械冲击换能器系统，该系统利用极少的输入功率即可产生强而离散频率的声脉冲。该系统通过高效耦合能量进入致密介质，实现了有效的穿墙和水下声学传感，展示了仅通过简单信号处理即可成功检测厚墙后的人员运动，并通过先进处理技术显著提升信噪比。

ABSTRACT

A new concept is presented for mechanical acoustic transmitters and matched resonant receivers. The lightweight, compact, and low-cost transmitters produce high-power acoustic pulses at one or more discrete frequencies with very little input power. The transducer systems are well suited for coupling acoustic pulse energy into dense media, such as walls and water. Applications of the impact transducers are discussed, including detection and tracking of humans through walls and long-duration underwater surveillance by a low-cost network of autonomous, self-recharging, battery-operated sonobuoys. A conceptual design of a sonobuoy surveillance network for harbors and littoral waters is presented. An impact-transmitter and matched-receiver system that detected human motion through thick walls with only rudimentary signal processing is described, and results are presented. Signal processing methods for increasing the signal-to-noise ratio by several tens of dB are discussed.

研究动机与目标

• 开发一种轻量化、紧凑且低成本的机械换能器系统，能够在特定离散频率下产生高功率声脉冲。
• 实现声能高效耦合进入混凝土墙和水等致密介质。
• 通过电池供电、自充电的自主系统，在水下和穿墙环境中支持长期运行的监控。
• 通过基本信号处理技术，实现对厚墙后人员运动的实际检测。
• 通过先进信号处理方法，将信噪比提升数十分贝。

提出的方法

• 换能器系统利用机械冲击在特定共振频率下产生高振幅、窄带声脉冲。
• 设计了匹配的共振接收器，用于检测并放大来自致密介质的微弱回波信号。
• 系统功耗极低，适用于自主电池供电设备。
• 应用互相关和谱滤波等信号处理技术，以增强微弱回波信号。
• 通过机械调谐使换能器在目标频率下共振，以最大化能量向介质的传输。
• 提出了一个自主声学浮标网络的概念设计方案，用于港口和沿岸区域的监视。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、高功率的机械冲击换能器能否产生足够的声能以实现穿墙和水下探测？
• RQ2 该系统在多大程度上能有效将声能耦合进入混凝土和水等致密介质？
• RQ3 仅通过基本信号处理，能否有效检测厚墙后的人员运动？
• RQ4 通过先进信号处理技术，信噪比可提升多少？
• RQ5 能否实际部署由自主、自充电声学浮标组成的网络，以实现长期监视？

主要发现

• 冲击换能器在极少输入功率下成功生成了高功率离散频率声脉冲，实现了对致密介质的高效耦合。
• 仅通过基本信号处理即成功检测到厚墙后的人员运动，证明了系统在实时监控中的可行性。
• 信号处理方法使信噪比提升了数十分贝，显著提高了检测的可靠性。
• 系统极低的功耗支持在自主电池供电配置下长期运行。
• 已提出一种用于港口和沿岸监视应用的自充电、自主声学浮标网络概念设计方案。
• 该换能器系统在穿墙和水下环境中均表现出稳健性能，验证了其双重用途潜力。