16-Mikrofónový akustický radar (FPGA PoC)
Technologický Proof of Concept demonštrujúci akustický beamforming v reálnom čase na FPGA. 16 MEMS mikrofónov fázovaných na presné určenie zdroja zvuku s uhlovou rozlišovacou schopnosťou < 2°.
Technické špecifikácie
| Parameter | Špecifikácia |
|---|---|
| Platforma | Intel Cyclone 10 LP / Xilinx Artix-7 |
| Mikrofónové pole | 16× MEMS PDM (uniformné kruhové pole) |
| Vzorkovacia frekvencia | 48 kHz / 24-bit na kanál |
| Beamforming | Delay-and-Sum (DAS) / MVDR (Capon) |
| Čas odozvy | < 10 ms (vizualizácia v reálnom čase) |
| Uhlová rozlišovacia schopnosť | ~2° azimut |
| Výstupné rozhranie | HDMI (prekrytie tepelnej mapy), UDP stream |
Výzva
Vizuálne kamery majú mŕtve uhly a zlyhávajú pri slabom osvetlení alebo dyme. Tradičné akustické senzory sú všesmerové — vedia, že niečo je hlasné, ale nie odkiaľ zvuk prichádza. Cieľom bolo vytvoriť „zvukovú kameru” schopnú vizualizovať zdroje hluku v reálnom čase na detekciu rojov dronov, porúch strojov alebo únikov plynu — bez latencie CPU-based spracovania.
Naše riešenie
Navrhli sme masívne paralelný akustický procesor priamo vo FPGA fabrike, obchádzajúc CPU pre výpočtovo náročné operácie:
- PDM demodulácia: 16 paralelných CIC filtrov decimujú Pulse Density Modulation (PDM) streamy z MEMS mikrofónov na PCM audio.
- Delay-and-Sum beamforming: FPGA simultánne počíta 1 024 pozorovacích lúčov. Oneskorením signálov na základe geometrie poľa konštruktívne interferujeme zvuk prichádzajúci z konkrétneho uhla a zvyšok potlačíme.
- Generovanie tepelnej mapy: Mapa akustickej energie sa prekrýva na obraz z vizuálnej kamery cez HDMI, čo umožňuje operátorom „vidieť” zvuk.
Technologický stack
Jadro FPGA (VHDL/Verilog)
- Paralelné DSP bloky: 16× simultánnych MAC operácií pre beamforming.
- Algoritmus CORDIC: Pre zarovnanie fázového posuvu v reálnom čase.
- DMA radič: Zero-copy prenos dát tepelnej mapy do vizualizačného bufferu.
Oblasti použitia
- Counter-UAS: Detekcia hluku vrtúľ dronov pred vizuálnym kontaktom.
- Priemyselný IoT: Presná lokalizácia únikov plynu (syčanie) alebo porúch ložísk v komplexných strojných zariadeniach.
- Smart City: Detekcia a lokalizácia výstrelov trianguláciou.