基于超聲波的空中三維（3D）成像是一種極具潛力的傳感方式，適用于惡劣環(huán)境下的機器人應(yīng)用。近十年來，研究者們已提出了多種高性能超聲成像系統(tǒng)。然而，這些系統(tǒng)大多采用縮小孔徑的麥克風(fēng)陣列，從而導(dǎo)致聲學(xué)圖像產(chǎn)生偽影。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，比利時安特衛(wèi)普大學(xué)（University of Antwerp）的科研團隊提出了一種空中應(yīng)用的新型超聲波傳感器，該傳感器在32 × 32的均勻矩形陣列中集成了1024顆麥克風(fēng)，并結(jié)合分布式嵌入式硬件設(shè)計來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。這種傳感器被命名為高分辨率成像聲納（HiRIS）傳感器。通過運用寬帶最小方差無失真響應(yīng)（MVDR）波束形成器和前向-后向空間平滑（FB-SS）技術(shù)，在單源情況下，該傳感器能夠以高角度精度創(chuàng)建二維（2D）和3D超聲圖像，其陣列響應(yīng)的峰值旁瓣比接近70 dB。這項研究成果以“HiRIS: An Airborne Sonar Sensor With a 1024 Channel Microphone Array for In-Air Acoustic Imaging”為題發(fā)表在IEEE Access期刊上。

HiRIS傳感器的硬件設(shè)計非常復(fù)雜。具體而言，整個系統(tǒng)由1024顆麥克風(fēng)、33個微控制器和4963個電子元件共同組成，這些組件分布于2塊印刷電路板（PCB）上，PCB走線總長超過127米。盡管基于ARM架構(gòu)的微控制器系統(tǒng)存在明顯缺點，但研究人員仍認(rèn)為這是開發(fā)HiRIS傳感器硬件架構(gòu)的最優(yōu)選擇。圖1展示了HiRIS傳感器的硬件架構(gòu)。

隨后，研究人員詳細(xì)介紹了從麥克風(fēng)陣列啟動并捕獲一組波形數(shù)據(jù)的過程，以及利用自適應(yīng)空間濾波器（即MVDR波束形成技術(shù)）對數(shù)據(jù)進行處理，進而生成3D圖像的過程。接著，為了驗證HiRIS傳感器的運行效果，研究人員構(gòu)建了HiRIS傳感器的仿真模型，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。

圖2 HiRIS傳感器的仿真結(jié)果

圖3展示了HiRIS傳感器的實現(xiàn)原型。其中，圖3a）呈現(xiàn)了HiRIS傳感器的前視圖，可見麥克風(fēng)端口孔和用于散熱的銅板。圖3b）展現(xiàn)了后端PCB的背面，USB電纜將所有節(jié)點連接到USB集線器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 HiRIS傳感器的實現(xiàn)原型

為了驗證所實現(xiàn)原型的點擴散函數(shù)（PSF），研究人員使用40 kHz的超聲波源進行了被動聲學(xué)測量，該超聲波源被放置在麥克風(fēng)陣列前，并以約70 dB的聲壓級（SPL）發(fā)射純音信號。相關(guān)結(jié)果如圖4所示，揭示了不同孔徑尺寸對點擴散函數(shù)的影響。

圖4 用于縮小孔徑陣列的點擴散函數(shù)

最后，研究人員進行了主動測量。實驗中，HiRIS傳感器使用Sencomp 7000換能器發(fā)射寬帶雙曲線啁啾信號。然后，按照前述方法對信號進行處理，從而生成2D圖像，如圖5所示。

圖5 HiRIS傳感器的實驗結(jié)果

綜上所述，這項研究提出了HiRIS傳感器，這是一款集成1024顆麥克風(fēng)的高分辨成像聲納傳感器。這項研究詳細(xì)介紹了HiRIS傳感器的硬件架構(gòu)，闡明了復(fù)現(xiàn)硬件系統(tǒng)時的設(shè)計決策和潛在隱患。隨后，詳解了數(shù)據(jù)采集流程和信號處理策略。接著，利用HiRIS傳感器開發(fā)了一種新型傳感器系統(tǒng)，這標(biāo)志著空中聲納傳感器成像能力的一個飛躍，能夠?qū)φ鎸崍鼍斑M行幾乎無偽影的成像。總而言之，HiRIS傳感器有望使研究人員以前所未有的細(xì)節(jié)水平揭示空中超聲波傳感的潛在機制，從而為未來工業(yè)應(yīng)用中3D超聲波傳感器的迭代發(fā)展提供依據(jù)。