用于3D空间感知的多频单通道空气耦合PMUT
2024-07-07 09:53:16 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
奥地利硅实验室的研究团队提出一种创新的3D空间感知方法，即基于压电式微机械超声换能器（PMUT）实现多频压缩感知。利用该方法，不仅能够实现物体在3D空间中的定位检测，还能重建物体的2D和3D图像。
压缩感知（CS）为解决当前3D超声成像的局限性提供了一种有希望的解决方案。通过精心选择稀疏表示和合适的采样策略，压缩感知可以在减少测量数据量的情况下加快采集过程，同时还能确保目标信号基本信息的精确重建。目前，压缩感知已广泛应用于通信系统和网络、医学成像和地震研究等领域。
据麦姆斯咨询报道，近期，奥地利硅实验室（Silicon Austria Labs）的研究团队提出一种创新的3D空间感知方法，即基于压电式微机械超声换能器（PMUT）实现多频压缩感知。利用该方法，不仅能够实现物体在3D空间中的定位检测，还能重建物体的2D/3D图像。相关研究成果以“Theoretical Validation of a Single-Channel Air-Coupled PMUT With Multi-Frequency Operation for Compressed 3D Spatial Sensing”为题发表在IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control期刊上。
在这项研究工作中，研究人员重点聚焦于单通道超声换能器，所提出的PMUT阵列由多个不同半径的振膜组成。由于振膜半径大小的微小变化会使同一激励信号激发下的所有振膜产生不同的传输信号，通过这种方式，感兴趣区域（ROI）的声场分布会失真，特别是垂直于波传播方向的声场分布，这将有助于获取3D ROI中不同位置散射体的更多独特信息。基于此，研究人员提出一种压缩3D空间感知方法，并将其用于获取所设计的单通道PMUT的测量值。
图1 用于开发基于PMUT的系统分层设计平台示意图
研究人员通过PMUT等效电路模型和K-Wave声传播模型模拟声学测量结果，并在障碍物感测应用中对所提出的方法进行了验证。基于ROI中物体对象的稀疏特性，可以通过基于压缩感知的算法重建物体的2D/3D图像。图像重建结果表明，所提出的方法不仅能实现物体定位，还能重建物体的描述性特征。
图2 基于LSQR算法获得的2D图像重建结果
图3 基于LSQR算法获得的无旋转3D图像重建结果
此外，研究人员利用该方法开展了基于旋转的测量，图像重建结果显示该方法能够更清晰地描绘物体形状。然而，与非旋转测量相比，基于旋转的测量结果呈现出更高的噪声水平。因此，未来还需要继续探索重建图像的信噪比与旋转次数之间的关系，这将是未来研究的一个重要方向。
图4 基于LSQR算法进行3次旋转附加测量的3D图像重建结果
图5 旋转对图像重建质量的影响分析
综上所述，这项研究工作提出一种基于多频单通道空气耦合PMUT的3D空间感知方法。与传统方法相比，该方法无需进行像素扫描就能重建物体定位和特征描述，大大减少了测量数据和采集时间。此外，单通道控制电路简化了硬件复杂性，降低了空气耦合3D空间感知应用中传感系统的总成本。与基于编码掩模的3D成像方法相比，该方法利用了PMUT阵列在换能器和空气耦合之间的良好声阻抗匹配，避免了编码掩模造成的不必要反射，从而提高了能量传输效率。这项研究所建立的PMUT阵列仿真平台大大提高了时域仿真的效率，为后续的系统优化和PMUT的应用研究奠定了基础。
论文信息：https://doi.org/10.1109/OJUFFC.2024.3408138
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