【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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陣列，從而導致聲學圖像產(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(University of Antwerp)的科研團隊提出了一種空中應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，并結合分布式嵌入式硬件設計來執(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(MVDR)波束形成器和前向-后向空間平滑(FB-SS)技術，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傳感器的硬件設計非常復雜。具體而言，整個系統(tǒng)由1024顆麥克風、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架構的微控制器系統(tǒng)存在明顯缺點，但研究人員仍認為這是開發(fā)HiRIS傳感器硬件架構的最優(yōu)選擇。圖1展示了HiRIS傳感器的硬件架構。
 

圖1 HiRIS傳感器的硬件架構概述
 

　　隨后，研究人員詳細介紹了從麥克風陣列啟動并捕獲一組波形數(shù)據(jù)的過程，以及利用自適應空間濾波器(即MVDR波束形成技術)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，研究人員構建了HiRIS傳感器的仿真模型，相關結果如圖2所示。
 

圖2 HiRIS傳感器的仿真結果
 

　　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測量，該超聲波源被放置在麥克風陣列前，并以約70 dB的聲壓級(SPL)發(fā)射純音信號。相關結果如圖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顆麥克風的高分辨成像聲納傳感器。這項研究詳細介紹了HiRIS傳感器的硬件架構，闡明了復現(xiàn)硬件系統(tǒng)時的設計決策和潛在隱患。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)，這標志著空中聲納傳感器成像能力的一個飛躍，能夠對真實場景進行幾乎無偽影的成像?？偠灾?，HiRIS傳感器有望使研究人員以前所未有的細節(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)應用中3D超聲波傳感器的迭代發(fā)展提供依據(jù)。