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。然而，這些系統大多采用縮小孔徑的麥克風陣列，從而導致聲學圖像產生偽影。
據麥姆斯咨詢報道，近日，比利時安特衛普大學（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行數據采集。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存在明顯缺點，但研究人員仍認為這是開發HiRIS傳感器硬件架構的最優選擇。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據的過程，以及利用自適應空間濾波器（即MVDR波束形成技術）對數據進行處理，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傳感器的實現原型。其中，圖3a）呈現了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）展現了后端PCB的背面，USB電纜將所有節點連接到USB集線器，以實現數據傳輸。
圖3 HiRIS傳感器的實現原型
為了驗證所實現原型的點擴散函數（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的影響。
圖4 用于縮小孔徑陣列的點擴散函數
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，闡明了復現硬件系統時的設計決策和潛在隱患。隨后，詳解了數據采集流程和信號處理策略。接著，利用HiRIS傳感器開發了一種新型傳感器系統，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。總而言之，HiRIS傳感器有望使研究人員以前所未有的細節水平揭示空中超聲波傳感的潛在機制，從而為未來工業應用中3D超聲波傳感器的迭代發展提供依據。
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https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3385232
