基于超声波的空中三维（3D）成像是一种极具潜力的传感方式，适用于恶劣环境下的机器人应用。近十年来，研究者们已提出了多种高性能超声成像系统。然而，这些系统大多采用缩小孔径的麦克风阵列，从而导致声学图像产生伪影。
据麦姆斯咨询报道，近日，比利时安特卫普大学（University of Antwerp）的科研团队提出了一种空中应用的新型超声波传感器，该传感器在32 × 32的均匀矩形阵列中集成了1024颗麦克风，并结合分布式嵌入式硬件设计来执行数据采集。这种传感器被命名为高分辨率成像声纳（HiRIS）传感器。通过运用宽带最小方差无失真响应（MVDR）波束形成器和前向-后向空间平滑（FB-SS）技术，在单源情况下，该传感器能够以高角度精度创建二维（2D）和3D超声图像，其阵列响应的峰值旁瓣比接近70 dB。这项研究成果以“HiRIS: An Airborne Sonar Sensor With a 1024 Channel Microphone Array for In-Air Acoustic Imaging”为题发表在IEEE Access期刊上。
HiRIS传感器的硬件设计非常复杂。具体而言，整个系统由1024颗麦克风、33个微控制器和4963个电子元件共同组成，这些组件分布于2块印刷电路板（PCB）上，PCB走线总长超过127米。尽管基于ARM架构的微控制器系统存在明显缺点，但研究人员仍认为这是开发HiRIS传感器硬件架构的最优选择。图1展示了HiRIS传感器的硬件架构。
图1 HiRIS传感器的硬件架构概述
随后，研究人员详细介绍了从麦克风阵列启动并捕获一组波形数据的过程，以及利用自适应空间滤波器（即MVDR波束形成技术）对数据进行处理，进而生成3D图像的过程。接着，为了验证HiRIS传感器的运行效果，研究人员构建了HiRIS传感器的仿真模型，相关结果如图2所示。
图2 HiRIS传感器的仿真结果
图3展示了HiRIS传感器的实现原型。其中，图3a）呈现了HiRIS传感器的前视图，可见麦克风端口孔和用于散热的铜板。图3b）展现了后端PCB的背面，USB电缆将所有节点连接到USB集线器，以实现数据传输。
图3 HiRIS传感器的实现原型
为了验证所实现原型的点扩散函数（PSF），研究人员使用40 kHz的超声波源进行了被动声学测量，该超声波源被放置在麦克风阵列前，并以约70 dB的声压级（SPL）发射纯音信号。相关结果如图4所示，揭示了不同孔径尺寸对点扩散函数的影响。
图4 用于缩小孔径阵列的点扩散函数
最后，研究人员进行了主动测量。实验中，HiRIS传感器使用Sencomp 7000换能器发射宽带双曲线啁啾信号。然后，按照前述方法对信号进行处理，从而生成2D图像，如图5所示。
图5 HiRIS传感器的实验结果
综上所述，这项研究提出了HiRIS传感器，这是一款集成1024颗麦克风的高分辨成像声纳传感器。这项研究详细介绍了HiRIS传感器的硬件架构，阐明了复现硬件系统时的设计决策和潜在隐患。随后，详解了数据采集流程和信号处理策略。接着，利用HiRIS传感器开发了一种新型传感器系统，这标志着空中声纳传感器成像能力的一个飞跃，能够对真实场景进行几乎无伪影的成像。总而言之，HiRIS传感器有望使研究人员以前所未有的细节水平揭示空中超声波传感的潜在机制，从而为未来工业应用中3D超声波传感器的迭代发展提供依据。
论文链接：
https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3385232
