感測器矩陣

感測器矩陣是一組感測器，通常以某種幾何圖案部署，用於收集和處理電磁或聲學信號。使用感測器矩陣而不是使用單個感測器的優點在於，陣列為觀測增加了新的維度，有助於估計更多參數並提高估計性能。例如，用於波束成形的無線電天線元件矩陣可以增加信號方向上的天線增益，同時減小其他方向上的增益，即通過相干地放大信號來增加信噪比（SNR）。感測器矩陣套用的另一個例子是估計撞擊電磁波的到達方向。相關的處理方法稱為陣列信號處理。陣列信號處理的套用實例包括雷達/聲納，無線通信，地震學，機器狀態監測，天文觀測故障診斷等。

基本介紹

• 中文名：感測器矩陣
• 外文名：Sensor array

原理

圖1示出了六元件均勻線性陣列（ULA）。 在該示例中，假設感測器陣列位於信號源的遠場中，使得它可以被視為平面波。

圖1

參數估計利用了這樣的事實，即從陣列中的源到每個天線的距離是不同的，這意味著每個天線處的輸入數據將是彼此的相移複製品。式（1）示出了相對於第一個陣列到達陣列中的每個天線所花費的額外時間的計算，其中c是波的速度。

(1)

每個感測器都有不同的延遲。延遲很小，但並非微不足道。在頻域中，它們顯示為感測器接收到的信號之間的相移。延遲與入射角和感測器陣列的幾何形狀密切相關。 給定陣列的幾何形狀，可以使用延遲或相位差來估計入射角。式（1）是陣列信號處理的數學基礎。簡單地將感測器接收的信號相加並計算平均值得到結果。

(2)

因為接收的信號是異相的，所以與原始信號源相比，該平均值不會產生增強的信號。 啟發式地，如果我們可以找到權重乘以接收信號以在求和之前將它們設定為相位，即平均值:

(3)

會導致信號增強。 將良好選擇的一組權重與感測器陣列接收的信號相乘以便在抑制噪聲的同時建設性地添加信號的過程稱為波束形成。 感測器陣列有多種波束形成算法，例如延遲求和方法，基於光譜（非參數）方法和參數方法。

矩陣設計

感測器陣列具有不同的幾何設計，包括線性，圓形，平面，圓柱和球形陣列。 存在具有任意陣列配置的感測器陣列，其需要更複雜的信號處理技術用於參數估計。 在均勻線性陣列（ULA）中，輸入信號 的相位應限制在 以避免光柵波。 這意味著對於在[ ]區間內的到達角 ，感測器間距應該小于波長 的一半 。 然而，主光束的寬度，即陣列的解析度或方向性，由陣列的長度與波長相比確定。 為了有一個體面的方向解析度，陣列的長度應該比無線電波長大幾倍。

感測器矩陣的類型

天線矩陣

天線矩陣（電磁），天線元件的幾何布置，其電流之間存在故意關係，通常形成單個天線以實現所需的輻射方向圖。

定向矩陣，為方向性最佳化的天線矩陣。

相控陣，一種天線陣，其中套用於元件的相移（和幅度）被電子修改，通常是為了控制天線系統的方向圖，而不使用移動部件。

智慧型天線是一種相控陣，其中信號處理器計算相移以最佳化對接收機的接收和/或傳輸，例如蜂窩電話塔。

數字天線陣列，這是使用多通道數字波束形成的智慧型天線，通常使用FFT。

干涉射電望遠鏡或光學望遠鏡的干涉陣列，用於通過干涉相關實現高解析度。

Watson-Watt / Adcock天線陣列，使用Watson-Watt技術，由此使用兩個Adcock天線對對輸入信號執行幅度比較。

聲陣列

麥克風陣列用於聲學測量和波束形成。

揚聲器陣列用於聲學測量和波束形成。

其他矩陣

地震檢波器陣列用於反射地震學。

聲納陣列是用於水下成像的一系列水聽器。

延遲求和波束形成

如果對來自每個麥克風的記錄信號添加時間延遲，該時間延遲與由附加傳播時間引起的延遲相等且相反，則將產生彼此完全同相的信號。對這些同相信號求和將導致相長干涉，這將通過陣列中的天線數量放大SNR。這被稱為延遲和求和波束形成。對於到達方向（DOA）估計，可以疊代測試所有可能方向的時間延遲。如果猜測錯誤，信號將受到破壞性干擾，導致輸出信號減弱，但正確的猜測將導致上述信號放大。

問題是，在估計入射角之前，怎么可能知道與額外行程時間引起的延遲相等的時間延遲？是不可能的。解決方案是以足夠高的解析度嘗試一系列角度[]，並使用等式1計算得到的陣列的平均輸出信號。最大化平均輸出的試驗角度是由延遲和總和波束形成器給出的DOA的估計。向輸入信號添加相反的延遲等同於物理旋轉感測器陣列。因此，它也被稱為波束控制。