Dft beamforming techniques for bioacoustics signal processing applications

Abstract

This work presents a computational framework for the analysis, design, and development of discrete Fourier transform (DFT) beamforming techniques for bioacoustics signal processing applications. DFT beamforming techniques are a form of hierarchical beamforming algorithm methods which deal with the processing of signals arriving at large aperture array systems. The processing of the sensored signals is conducted hierarchically in the frequency domain.The DFT beamforming algoritms consist of determining the direction of arrival (DOA) of plane waves impinging on a linear sensor array. One of the applications of the sensors is as signal instrumentation resources for monitoring and surveillance of neo-tropical anurans in the island of Puerto Rico, in a near real time manner. A plane wave complex signal model is being utilized to model the incoming signals which are spatially sampled by the array elements and temporally sampled by the sensor signal acquisition system. The DFT beamforming algorithms are being formulated using Kronecker products algebra to provide general expressions for the beamforming operations. The development e??ort is being conducted using the MATLAB numeric computation and software visualization package. A parallel programming modeling environment, named pMATLAB, is being utilized to study the computational performance of parallel implementation techniques. Preliminary implementation e??orts have being conducted using C language on the TMS320C6713 Digital Signal Processing (DSP) unit from Texas Instruments. A wireless sensor array processing (SAP) system has also been designed at the Automated Information Processing (AIP) Laboratory, at the University of Puerto Rico, Mayaguez Campus, with the purpose of providing further testing of the beamforming techniques developed. Such SAP testbed uses Linux-based embedded small computers , called Gumstix, as sensor signal processing nodes (SSP), with the capacity to acquire, store, and process acoustic data. A principal node, called the Master Sensor Node (MSN) receives the processed data from the SSP nodes, making the data available via wireless connection to the Internet. This type of network system will serve as an ideal tool for biologists to monitor, locate, and track species of interests in the surrounding environments, without interfering with the ecological system, and avoiding frequent ??eld visits.

Técnicas de DFT beamforming o formación de haces, constituyen una forma jerárquica de los métodos de los algoritmos de beamforming, los cuales trabajan con el procesamiento de señales recibidas por sistemas de arreglo linear de sensores, a grandes abertura. Una de las aplicaciones de los sensores es ser usados como recursos para la instrumentación de señales con el propósito de monitorear y vigilar anuros neo-trópicos en la isla de Puerto Rico, en tiempo casi real. Un plano de onda compleja de señales ha sido utilizado para modelar las señales incidentes a un arreglo linear de sensores, las cuales han sido muestradas espacialmente por los elementos del arreglo, y temporalmente muestradas por el sistema de adquisición de señales acústicas. Los algoritmos de DFT beamforming han sido formulados usando algebra de los productos Kronecker, con el propósito de proveer expresiones generales para las operaciones de beamforming. El esfuerzo de desarrollo ha sido realizado usando un software de visualización y computación numérica, llamado MATLAB. Un ambiente de modelo en paralelo, llamado pMATLAB, ha sido utilizado para estudiar el rendimiento computacional de técnicas de implementación en paralelo. Trabajos preliminares de implementación han sido realizado, usando lenguaje C en la tarjeta de procesamiento de señales digitales (DSP) TMS320C6713 de Texas Instruments. Un sistema de procesamiento de arreglo de sensores (SAP), inalámbrico ha sido diseñado en el laboratorio de Procesamiento de Información Automatizada (AIP), en la Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez, con el propósito de proveer más pruebas de las técnicas desarrolladas de beamforming. Pequeñas computadoras, llamadas Gumstix, basadas en el sistema operativo de Linux, son utilizadas como nodos de sensores para el procesamiento de señales (SSP), con la capacidad de adquirir, almacenar, y procesar data acústica. Un nodo principal, llamado el Master Sensor Node(MSN) recibe data procesada de los nodos SSP haciendo que la misma esté disponible mediante conexión inalámbrica al Internet. Este tipo de sistema de red servirá como una herramienta ideal para biólogos, con el propósito de monitorear localizar, y registrar las especies de interés, en el ambiente cercano, sin tener que interferir con el sistema ecológico, y así también evitar visitas frecuentes al campo.