सेंसर सरणी

संवेदक (सेंसर) सरणी संवेदको का एक समूह है, जो सामान्य रूप से एक निश्चित ज्यामिति पैटर्न में परिनियोजित किया जाता है, जिसका उपयोग विद्युत चुम्बकीय या ध्वनिक संकेतों को संग्रहित करने और संसाधित करने के लिए किया जाता है। एकल संवेदक का उपयोग करने की तुलना में संवेदक सरणी का उपयोग करने का लाभ इस तथ्य में निहित है कि एक सरणी अवलोकन में नए आयाम जोड़ती है, जिससे अधिक मापदंडों का अनुमान लगाने और अनुमान प्रदर्शन में संशोधन करने में सहायता मिलती है। उदाहरण के लिए, किरण-अभिरूपण के लिए उपयोग किए जाने वाले रेडियो एंटीना तत्वों की एक श्रृंखला सिग्नल की दिशा में एंटीना लाभ को बढ़ा सकती है जबकि अन्य दिशाओं में लाभ को कम कर सकती है, अर्थात सिग्नल को सुसंगत रूप से बढ़ाकर संकेत-ध्वनि अनुपात (एसएनआर) बढ़ा सकती है। संवेदक सरणी अनुप्रयोग का एक अन्य उदाहरण विद्युत चुम्बकीय तरंगों के आगमन की दिशा का अनुमान लगाना है। संबंधित प्रक्रमन विधि को सरणी संकेत प्रक्रमन कहा जाता है। तीसरे उदाहरण में रासायनिक संवेदक सरणियाँ सम्मिलित हैं, जो जटिल मिश्रण या संवेदन वातावरण में फिंगरप्रिंट ( उँगली का निशान) का पता लगाने के लिए कई रासायनिक संवेदक का उपयोग करती हैं। सरणी संकेत प्रक्रमन के अनुप्रयोग उदाहरणों में रडार/सोनार, ताररहित संचार, भूकंप विज्ञान, मशीन की स्थिति की सुरक्षा, ​​खगोलीय अवलोकन दोष निदान आदि सम्मिलित हैं।

सरणी संकेत प्रक्रमन का उपयोग करके, संवेदक सरणी द्वारा एकत्र किए गए डेटा में ध्वनि से अंतःक्षेप करने वाले और गुप्त संकेतों के अस्थायी और स्थानिक गुणों (या पैरामीटर) का अनुमान लगाया और प्रकट किया जा सकता है। इसे पैरामीटर अनुमान के रूप में जाना जाता है।

चित्रा 1: रैखिक सरणी और आपतन कोण

समतल तरंग, समय प्रक्षेत्र किरण-निर्माण

चित्र 1 एक छह-तत्व समान रैखिक सरणी (यूएलए) दिखाता है। इस उदाहरण में, संवेदक सरणी को सिग्नल स्रोत के दूर-क्षेत्र में माना जाता है ताकि इसे समतल तरंग के रूप में माना जा सके।

पैरामीटर अनुमान इस तथ्य का लाभ उठाता है कि सरणी में स्रोत से प्रत्येक एंटीना की दूरी अलग-अलग है, जिसका अर्थ है कि प्रत्येक एंटीना पर निविष्ट डेटा एक-दूसरे की कला विस्थापन प्रतिकृतियां होंगी। समीकरण (1) पहले एंटीना के सापेक्ष सरणी में प्रत्येक एंटीना तक पहुंचने में लगने वाले अतिरिक्त समय की गणना दिखाता है, जहां c तरंग का वेग है।

$\Delta t_{i}={\frac {(i-1)d\cos \theta }{c}},i=1,2,...,M\ \ (1)$

प्रत्येक संवेदक एक अलग विलंब से जुड़ा है। विलंब लघु है लेकिन सामान्य नहीं है। आवृत्ति प्रक्षेत्र में, उन्हें संवेदक द्वारा प्राप्त संकेतों के बीच कला विस्थापन के रूप में प्रदर्शित किया जाता है। विलंब आपतन कोण और संवेदक सरणी की ज्यामिति से निकटता से संबंधित है। सरणी की ज्यामिति को देखते हुए, आपतन कोण का अनुमान लगाने के लिए विलंब या कलांतर का उपयोग किया जा सकता है। समीकरण (1) सरणी संकेत प्रक्रमन के पीछे का गणितीय आधार है। सिर्फ संवेदक द्वारा प्राप्त संकेतों का योग और औसत मान की गणना करके परिणाम दें

$y={\frac {1}{M}}\sum _{i=1}^{M}{\boldsymbol {x}}_{i}(t-\Delta t_{i})\ \ (2)$ .

क्योंकि प्राप्त संकेत प्रावस्था से बाहर हैं, यह औसत मान मूल स्रोत की तुलना में एक बढ़ा हुआ संकेत नहीं देता है। ह्यूरिस्टिक रूप से, यदि हम प्राप्त संकेतों में से प्रत्येक के विलंब का पता लगा सकते हैं और योग से पहले उन्हें हटा सकते हैं, तब औसत मान

$y={\frac {1}{M}}\sum _{i=1}^{M}{\boldsymbol {x}}_{i}(t)\ \ (3)$

परिणामस्वरूप एक उन्नत सिग्नल प्राप्त होगा। संवेदक सरणी के प्रत्येक चैनल के लिए विलंब के एक अच्छी तरह से चयनित सेट का उपयोग करके समय-विस्थापन सिग्नल की प्रक्रिया ताकि सिग्नल को रचनात्मक रूप से जोड़ा जा सके, किरण-अपरूपण कहा जाता है। ऊपर वर्णित विलंब-और-योग दृष्टिकोण के अतिरिक्त, कई वर्णक्रमीय आधारित (गैर-प्राचलिक) दृष्टिकोण और प्राचलिक दृष्टिकोण सम्मिलित हैं जो विभिन्न प्रदर्शन आव्यूह में संशोधन करते हैं। इन किरण-अपरूपण एल्गोरिदम का संक्षेप में वर्णन इस प्रकार किया गया है

सरणी डिजाइन

संवेदक सरणियों में अलग-अलग ज्यामितीय डिज़ाइन होते हैं, जिनमें रैखिक, गोलाकार, समतल, बेलनाकार और गोलाकार सरणियाँ सम्मिलित हैं। यादृच्छिक सरणी विन्यास के साथ संवेदक सरणी हैं, जिन्हें पैरामीटर अनुमान के लिए अधिक जटिल संकेत प्रक्रमन तकनीकों की आवश्यकता होती है। एकसमान रैखिक सरणी (यूएलए) में आने वाले सिग्नल $\omega \tau$ का प्रावस्था ग्रेटिंग (कठोर) तरंगों से संरक्षण के लिए $\pm \pi$ तक सीमित होना चाहिए। इसका तात्पर्य है कि आगमन के कोण $\theta$ के लिए अंतराल में $[-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}]$ संवेदक रिक्ति अर्ध-तरंगदैर्ध्य $d\leq \lambda /2$ से कम होनी चाहिए। हालांकि, मुख्य किरणपुंज की चौड़ाई, अर्थात सरणी के विभेदन या दिशिकता, तरंग दैर्ध्य की तुलना में सरणी की लंबाई से निर्धारित होती है। सामान्य दिशात्मक विभेदन प्राप्त करने के लिए सरणी की लंबाई रेडियो तरंगदैर्ध्य से कई गुना बड़ी होनी चाहिए।

संवेदक सरणियों के प्रकार

एंटीना सरणी

• एंटीना सरणी (विद्युत चुम्बकीय), ऐन्टेना तत्वों की एक ज्यामितीय व्यवस्था, उनके धाराओं के बीच एक सुविचारित संबंध के साथ, एक वांछित विकिरण पैटर्न प्राप्त करने के लिए सामान्य रूप से एक ऐन्टेना बनाते हैं
• दिशात्मक सरणी, दिशात्मकता के लिए अनुकूलित एक एंटीना सरणी
• प्रावस्थाबद्ध सरणी, एक एंटीना सरणी जहां तत्वों पर प्रयुक्त कला विस्थापन (और आयाम) को सक्रिय भागों के उपयोग के बिना एंटीना प्रणाली के दिशात्मक पैटर्न को संचालित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक रूप से संशोधित किया जाता है।
• स्मार्ट एंटीना, एक प्रावस्थाबद्ध सरणी जिसमें एक संकेत संसाधित्र संग्रहण और/या अभिग्राही के लिए संचारण को अनुकूलित करने के लिए कला विस्थापन की गणना करता है, जैसे कि सेल फ़ोन टावरों द्वारा किया जाता है
• डिजिटल एंटीना सरणी, यह सामान्य रूप से तीव्र फूरियर रूपांतरण का उपयोग करके बहु-चैनल डिजिटल किरण-अभिरूपण वाला स्मार्ट एंटीना है।
• व्यतिकरणमितिक सहसंबंध के माध्यम से उच्च विभेदन प्राप्त करने के लिए रेडियो दूरबीन या प्रकाशीय दूरबीन की व्यतिकरणमितिक का उपयोग किया जाता है
• वॉटसन-वाट / एडकॉक एंटीना सरणी, वॉटसन-वाट तकनीक का उपयोग करते हुए, जिसके अंतर्गत आने वाले सिग्नल पर आयाम तुलना करने के लिए दो एडकॉक एंटीना युग्म का उपयोग किया जाता है।

ध्वनिक सरणी

• माइक्रोफोन सरणी का उपयोग ध्वनिक माप और किरण-अभिरूपण में किया जाता है
• ध्वनि विस्तारक सरणी का उपयोग ध्वनिक माप और किरण-अभिरूपण में किया जाता है

अन्य सरणियाँ

• परावर्तन भूकम्प विज्ञान में जियोफोन (भूकंपीय तरंगों को ज्ञात करने वाला यंत्र) सरणी का उपयोग किया जाता है
• सोनार सरणी, अन्तर्जलीय प्रतिबिम्बन में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोफ़ोन (पानी में ध्वनि-तरंगों को पता लगाने का यंत्र) की एक सरणी है

विलंब और योग किरण-अभिरूपण

यदि प्रत्येक माइक्रोफ़ोन से रिकॉर्ड किए गए सिग्नल में एक समय विलंब जोड़ा जाता है जो अतिरिक्त प्रगमन अवधि के कारण होने वाले विलंब के बराबर और विपरीत होता है, तब इसका परिणाम उन संकेतों में होगा जो एक दूसरे के साथ पूरी तरह से प्रावस्था मे हैं। प्रावस्था मे संकेतों को सारांशित करने के लिए रचनात्मक अंतःक्षेप होगा जो एसएनआर को सरणी में एंटेना की संख्या से बढ़ा देगा। इसे विलंब-और-योग किरण-अभिरूपण के रूप में जाना जाता है। आगमन की दिशा (डीओए) के अनुमान के लिए, कोई भी सभी संभावित दिशाओं के लिए समय की विलंब का परीक्षण कर सकता है। यदि अनुमान असत्य है, तब सिग्नल को विनाशकारी रूप से बाधित किया जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप निर्गम सिग्नल कम हो जाएगा, लेकिन सही अनुमान के परिणामस्वरूप ऊपर वर्णित सिग्नल प्रवर्धन होगा।

समस्या यह है कि घटना के कोण का अनुमान लगाने से पहले, यह जानना कैसे संभव हो सकता है कि अतिरिक्त प्रगमन अवधि के कारण होने वाली विलंबता 'बराबर' और विपरीत है? यह असंभव है। इसका समाधान यह है कि पर्याप्त उच्च विभेदन पर ${\hat {\theta }}\in [0,\pi ]$ में कोणों की एक श्रृंखला को आज़माएं, और समीकरण (3) का उपयोग करके सरणी के परिणामी माध्य निर्गम सिग्नल की गणना करें परीक्षण कोण जो संगत निर्गम को अधिकतम करता है वह विलंब-और-योग किरण-प्ररूपण द्वारा दिया गया डीओए का अनुमान है। निविष्ट सिग्नल में विपरीत विलंब जोड़ना संवेदक सरणी को भौतिक रूप से घूर्णन के बराबर है। इसलिए इसे किरणपुंज अभिदिशन के नाम से भी जाना जाता है।