本技術(shù)涉及聲學(xué)成像的，尤其是涉及一種低功耗復(fù)合多通道聲學(xué)成像方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在聲學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域，復(fù)合多通道波束成形算法的改進(jìn)以及低功耗實(shí)際已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

2、聲成像儀作為該技術(shù)的典型應(yīng)用設(shè)備，通常由高密度傳聲器陣列、高精度攝像頭、多通道信號(hào)處理單元及智能分析軟件構(gòu)成。其工作原理基于波束成形技術(shù)：首先，高密度麥克風(fēng)陣列（如環(huán)形、線形或面陣布局）按預(yù)設(shè)幾何結(jié)構(gòu)同步采集聲波信號(hào)，陣列間距通常滿足奈奎斯特采樣定理，以避免空間混疊。隨后，系統(tǒng)計(jì)算各陣元間的相位差（ipd）與時(shí)間差（tdoa），基于相控陣原理合成定向波束——通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整各陣元的權(quán)重系數(shù)，使特定方向的聲波相干疊加，形成指向性波束，抑制旁瓣干擾。最終，通過(guò)空間掃描或波束掃描技術(shù)，將不同方位的聲源強(qiáng)度映射為偽彩色圖譜（聲像圖），并與攝像頭采集的可見光圖像融合，實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的可視化疊加顯示。

3、但傳統(tǒng)聲學(xué)成像系統(tǒng)存在計(jì)算密集、功耗過(guò)高的問(wèn)題，整體的資源利用率較低，多通道信號(hào)處理存在能效瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了減少聲學(xué)成像時(shí)的計(jì)算功耗，本技術(shù)提供一種低功耗復(fù)合多通道聲學(xué)成像方法及系統(tǒng)。

2、第一方面，本技術(shù)提供的一種低功耗復(fù)合多通道聲學(xué)成像方法，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種低功耗復(fù)合多通道聲學(xué)成像方法，包括以下步驟：

4、獲取采樣聲學(xué)信號(hào)，并下發(fā)至配置的包含前端、中端和后端的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)中；

5、在所述前端，

6、獲取所述采樣聲學(xué)信號(hào)的信號(hào)特征以選擇對(duì)應(yīng)的解串通路，并將所述采樣聲學(xué)信號(hào)基于所述解串通路進(jìn)行串轉(zhuǎn)并處理以獲取若干路并行數(shù)據(jù)流；

7、在所述中端，

8、調(diào)取并行波束形成陣列以配置若干處理單元并將若干路所述并行數(shù)據(jù)流分配至各所述處理單元中，獲取聲學(xué)環(huán)境信息并為各所述處理單元分配對(duì)應(yīng)的目標(biāo)頻點(diǎn)k及頻點(diǎn)需求數(shù)x1；

9、基于所述目標(biāo)頻點(diǎn)k及所述頻點(diǎn)需求數(shù)x對(duì)每路所述并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行dft運(yùn)算以分別獲取對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣；

10、獲取所述并行波束形成陣列對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量矩陣并結(jié)合若干所述協(xié)方差矩陣以生成并行波束；

11、在后端，

12、獲取相位補(bǔ)償系數(shù)，并基于所述相位補(bǔ)償系數(shù)轉(zhuǎn)化為fir濾波參數(shù)以對(duì)所述并行波束進(jìn)行相位誤差矯正后通過(guò)并轉(zhuǎn)串處理以生成串行輸出。

13、在其中一些實(shí)施例中，獲取所述采樣聲學(xué)信號(hào)的信號(hào)特征以選擇對(duì)應(yīng)的解串通路，并將所述采樣聲學(xué)信號(hào)基于所述解串通路進(jìn)行串轉(zhuǎn)并處理以獲取若干路并行數(shù)據(jù)流，包括以下步驟：

14、獲取所述采樣聲學(xué)信號(hào)對(duì)應(yīng)的高速串行信號(hào)；

15、采集所述信號(hào)特征中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)速率及處理需求，并基于所述數(shù)據(jù)速率及所述處理需求匹配對(duì)應(yīng)的解串比例n以選擇所述解串通路，其中，所述解串比例包括1:4、1:8、1:16；

16、基于所述解串通路將所述高速串行信號(hào)解串為若干路所述并行數(shù)據(jù)流。

17、在其中一些實(shí)施例中，基于所述解串通路將所述高速串行信號(hào)解串為若干路所述并行數(shù)據(jù)流之后，還包括以下步驟：

18、獲取麥克風(fēng)通道數(shù)x2，并結(jié)合所述解串比例n計(jì)算出每路所述并行數(shù)據(jù)流所需配置的復(fù)用信號(hào)數(shù)m，其中，所述復(fù)用信號(hào)數(shù)與所述解串比例的倒數(shù)成反比；

19、獲取數(shù)量為x2路的1bit?pdm信號(hào)，根據(jù)左右聲道將所述1bit?pdm信號(hào)的數(shù)量翻倍以獲得采樣處理量x3；

20、將數(shù)量為x3路的所述1bit?pdm信號(hào)經(jīng)過(guò)cic濾波器以轉(zhuǎn)化為多bit?pcm信號(hào)。

21、在其中一些實(shí)施例中，調(diào)取并行波束形成陣列以配置若干處理單元并將若干路所述并行數(shù)據(jù)流分配至各所述處理單元中，獲取聲學(xué)環(huán)境信息并為各所述處理單元分配對(duì)應(yīng)的目標(biāo)頻點(diǎn)k及頻點(diǎn)需求數(shù)x1，包括以下步驟：

22、獲取所述并行波束形成陣列包含的所述處理單元的數(shù)量x4，并基于x3/x4計(jì)算出每個(gè)所述處理單元所需要處理的路數(shù)量x5以將若干多bit?pcm信號(hào)分配至各所述處理單元中；

23、基于所述聲學(xué)環(huán)境信息確定環(huán)境類型，并根據(jù)所述環(huán)境類型確定目標(biāo)頻率范圍；

24、基于所述聲學(xué)環(huán)境信息確定環(huán)境復(fù)雜度，并根據(jù)所述環(huán)境復(fù)雜度確定所述頻點(diǎn)需求數(shù)x1；

25、在每個(gè)所述處理單元中，基于所述頻點(diǎn)需求數(shù)x1在各所述多bit?pcm信號(hào)所對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)頻率范圍中選擇對(duì)應(yīng)數(shù)量的頻率特征點(diǎn)以作為所述目標(biāo)頻點(diǎn)k。

26、在其中一些實(shí)施例中，基于所述目標(biāo)頻點(diǎn)k及所述頻點(diǎn)需求數(shù)x對(duì)每路所述并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行dft運(yùn)算以分別獲取對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣，包括以下步驟：

27、分析所述多bit?pcm信號(hào)的頻域分布以生成第一系數(shù)，獲取成像精度需求以生成第二系數(shù)，獲取信號(hào)質(zhì)量以生成第三系數(shù)；

28、基于所述第一系數(shù)、所述第二系數(shù)和所述第三系數(shù)動(dòng)態(tài)配置對(duì)應(yīng)的初始位寬；

29、基于所述初始位寬選擇對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)頻點(diǎn)k進(jìn)行dft運(yùn)算以獲取每路所述多bitpcm信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)；

30、基于若干所述多bit?pcm信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)生成頻域向量，根據(jù)所述頻域向量通過(guò)共軛特征計(jì)算各所述多bit?pcm信號(hào)的上三角部分協(xié)方差以生成協(xié)方差矩陣。

31、在其中一些實(shí)施例中，獲取所述并行波束形成陣列對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量矩陣并結(jié)合若干所述協(xié)方差矩陣以生成并行波束，包括以下步驟：

32、確定所述并行波束形成陣列中各陣元對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量以構(gòu)成所述導(dǎo)向矢量矩陣；

33、將所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行降維以獲取若干子矩陣，將各所述陣元與各所述多bitpcm信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射以將所述導(dǎo)向矢量矩陣各所述子矩陣分別進(jìn)行相乘以獲取若干子結(jié)果，其中，各所述子矩陣在與所述導(dǎo)向矢量矩陣相乘時(shí)復(fù)用同一ip核；

34、基于若干所述子結(jié)果以分塊矩陣的形式組合為完整的所述并行波束。

35、在其中一些實(shí)施例中，獲取所述并行波束形成陣列對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量矩陣并結(jié)合若干所述協(xié)方差矩陣以生成并行波束，還包括以下步驟：

36、基于所述目標(biāo)頻率范圍生成相同大小的若干神經(jīng)元簇，各所述神經(jīng)元簇配置有包含突觸權(quán)重和脈沖時(shí)間編碼的處理策略；

37、基于所述目標(biāo)頻點(diǎn)k獲取對(duì)應(yīng)頻率，將所述頻率映射于對(duì)應(yīng)的所述神經(jīng)元簇以獲取對(duì)應(yīng)的所述處理策略以所述并行波束的輸出進(jìn)行調(diào)整，具體的；

38、基于所述處理策略中的所述突觸權(quán)重生成脈沖信號(hào)的發(fā)放概率以進(jìn)行隨機(jī)加權(quán)，所述脈沖信號(hào)包括0或1，其中，當(dāng)所述脈沖信號(hào)為0時(shí)，所述目標(biāo)頻點(diǎn)k對(duì)應(yīng)的所述協(xié)方差不參與所述協(xié)方差矩陣的計(jì)算；

39、基于所述處理策略中的所述脈沖時(shí)間編碼調(diào)整相位補(bǔ)充延時(shí)時(shí)間。

40、在其中一些實(shí)施例中，獲取相位補(bǔ)償系數(shù)，并基于所述相位補(bǔ)償系數(shù)轉(zhuǎn)化為fir濾波參數(shù)以對(duì)所述并行波束進(jìn)行相位誤差矯正，還包括以下步驟：

41、獲取包含若干已測(cè)試陣元結(jié)果的相位補(bǔ)償表，所述相位補(bǔ)償表中包含不同陣元相對(duì)于參考陣元的相位偏差量；

42、基于各所述陣元所對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)頻點(diǎn)k及頻點(diǎn)需求數(shù)x1在所述相位補(bǔ)償表中確定各所述陣元對(duì)應(yīng)的相位補(bǔ)償系數(shù)并整合為目標(biāo)頻域響應(yīng)；

43、對(duì)所述目標(biāo)頻域響應(yīng)進(jìn)行逆傅里葉變換并結(jié)合濾波器階數(shù)計(jì)算出fir濾波參數(shù)；

44、基于所述fir濾波參數(shù)對(duì)各所述陣元所對(duì)應(yīng)的所述導(dǎo)向矢量進(jìn)行卷積運(yùn)算并輸出以完成相位誤差矯正。

45、在其中一些實(shí)施例中，對(duì)所述并行波束進(jìn)行相位誤差矯正后通過(guò)并轉(zhuǎn)串處理以生成串行輸出，還包括以下步驟：

46、設(shè)置若干乒乓緩存區(qū)，并基于所述并行數(shù)據(jù)流的數(shù)量為各通路配置讀寫順序；

47、基于所述讀寫順序分別在每一幀將各所述并行數(shù)據(jù)流所對(duì)應(yīng)的所述陣元寫入所述乒乓緩存區(qū)中進(jìn)行導(dǎo)向矢量的相位誤差矯正；

48、當(dāng)一個(gè)所述乒乓緩存區(qū)所對(duì)應(yīng)的深度被全部寫滿后讀取輸出對(duì)應(yīng)所述并行數(shù)據(jù)流，并更換所述乒乓緩存區(qū)以繼續(xù)寫入各所述并行數(shù)據(jù)流所對(duì)應(yīng)的所述陣元以進(jìn)行導(dǎo)向矢量的相位誤差矯正；

49、將始終連續(xù)的若干讀取出得所述并行數(shù)據(jù)流拼接為串行數(shù)據(jù)流以生成串行輸出。

50、第二方面，本技術(shù)提供的一種低功耗復(fù)合多通道聲學(xué)成像系統(tǒng)，采用如下的技術(shù)方案：

51、一種低功耗復(fù)合多通道聲學(xué)成像系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述的方法。

52、基于上述技術(shù)方案，至少存在以下技術(shù)效果：

53、通過(guò)串并轉(zhuǎn)換架構(gòu)的三級(jí)流水線重構(gòu)聲學(xué)信號(hào)處理流程，以矩陣特征優(yōu)化突破計(jì)算瓶頸，在不同的采樣聲學(xué)信號(hào)的信號(hào)特征和不同的聲學(xué)環(huán)境中選擇不同的并行通道數(shù)和處理精度，通過(guò)dft運(yùn)算來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)fft運(yùn)算所帶來(lái)的全頻段計(jì)算高負(fù)載，只根據(jù)對(duì)應(yīng)的環(huán)境和特征選擇目標(biāo)頻點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)算，進(jìn)一步的減少的波束成形時(shí)的負(fù)載功率，實(shí)現(xiàn)微瓦級(jí)功耗下的實(shí)時(shí)高精度聲學(xué)定位。