Signal Processing and Propagation for Aeroacoustic Sensor Networking,” Ch

Passive sensing of acoustic sources is attractive in many respects, including the relatively low signal bandwidth of sound waves, the loudness of most sources of interest, and the inherent difficulty of disguising or concealing emitted acoustic signals. The availability of inexpensive, low-power sensing and signal-processing hardware enables application of sophisticated real-time signal processing. Among th

Sensor array signal processing : two decades later

Caption title.Includes bibliographical references (p. 55-65).Supported by Army Research Office. DAAL03-92-G-115 Supported by the Air Force Office of Scientific Research. F49620-92-J-2002 Supported by the National Science Foundation. MIP-9015281 Supported by the ONR. N00014-91-J-1967 Supported by the AFOSR. F49620-93-1-0102Hamid Krim, Mats Viberg

Mathematical modelling ano optimization strategies for acoustic source localization in reverberant environments

La presente Tesis se centra en el uso de técnicas modernas de optimización y de procesamiento de audio para la localización precisa y robusta de personas dentro de un entorno reverberante dotado con agrupaciones (arrays) de micrófonos. En esta tesis se han estudiado diversos aspectos de la localización sonora, incluyendo el modelado, la algoritmia, así como el calibrado previo que permite usar los algoritmos de localización incluso cuando la geometría de los sensores (micrófonos) es desconocida a priori. Las técnicas existentes hasta ahora requerían de un número elevado de micrófonos para obtener una alta precisión en la localización. Sin embargo, durante esta tesis se ha desarrollado un nuevo método que permite una mejora de más del 30\% en la precisión de la localización con un número reducido de micrófonos. La reducción en el número de micrófonos es importante ya que se traduce directamente en una disminución drástica del coste y en un aumento de la versatilidad del sistema final. Adicionalmente, se ha realizado un estudio exhaustivo de los fenómenos que afectan al sistema de adquisición y procesado de la señal, con el objetivo de mejorar el modelo propuesto anteriormente. Dicho estudio profundiza en el conocimiento y modelado del filtrado PHAT (ampliamente utilizado en localización acústica) y de los aspectos que lo hacen especialmente adecuado para localización. Fruto del anterior estudio, y en colaboración con investigadores del instituto IDIAP (Suiza), se ha desarrollado un sistema de auto-calibración de las posiciones de los micrófonos a partir del ruido difuso presente en una sala en silencio. Esta aportación relacionada con los métodos previos basados en la coherencia. Sin embargo es capaz de reducir el ruido atendiendo a parámetros físicos previamente conocidos (distancia máxima entre los micrófonos). Gracias a ello se consigue una mejor precisión utilizando un menor tiempo de cómputo. El conocimiento de los efectos del filtro PHAT ha permitido crear un nuevo modelo que permite la representación 'sparse' del típico escenario de localización. Este tipo de representación se ha demostrado ser muy conveniente para localización, permitiendo un enfoque sencillo del caso en el que existen múltiples fuentes simultáneas. La última aportación de esta tesis, es el de la caracterización de las Matrices TDOA (Time difference of arrival -Diferencia de tiempos de llegada, en castellano-). Este tipo de matrices son especialmente útiles en audio pero no están limitadas a él. Además, este estudio transciende a la localización con sonido ya que propone métodos de reducción de ruido de las medias TDOA basados en una representación matricial 'low-rank', siendo útil, además de en localización, en técnicas tales como el beamforming o el autocalibrado

3-D Beamspace ML Based Bearing Estimator Incorporating Frequency Diversity and Interference Cancellation

The problem of low-angle radar tracking utilizing an array of antennas is considered. In the low-angle environment, echoes return from a low flying target via a specular path as well as a direct path. The problem is compounded by the fact that the two signals arrive within a beamwidth of each other and are usually fully correlated, or coherent. In addition, the SNR at each antenna element is typically low and only a small number of data samples, or snapshots, is available for processing due to the rapid movement of the target. Theoretical studies indicates that the Maximum Likelihood (ML) method is the only reliable estimation procedure in this type of scenario. However, the classical ML estimator involves a multi-dimensional search over a multi-modal surface and is consequently computationally burdensome. In order to facilitate real time processing, we here propose the idea of beamspace domain processing in which the element space snapshot vectors are first operated on by a reduced Butler matrix composed of three orthogonal beamforming weight vectors facilitating a simple, closed-form Beamspace Domain ML (BDML) estimator for the direct and specular path angles. The computational simplicity of the method arises from the fact that the respective beams associated with the three columns of the reduced Butler matrix have all but three nulls in common. The performance of the BDML estimator is enhanced by incorporating the estimation of the complex reflection coefficient and the bisector angle, respectively, for the symmetric and nonsymmetric multipath cases. To minimize the probability of track breaking, the use of frequency diversity is incorporated. The concept of coherent signal subspace processing is invoked as a means for retaining the computational simplicity of single frequency operation. With proper selection of the auxiliary frequencies, it is shown that perfect focusing may be achieved without iterating. In order to combat the effects of strong interfering sources, a novel scheme is presented for adaptively forming the three beams which retains the feature of common nulls