近日，上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所何清波教授、彭志科教授課題組在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science上發(fā)表題為“Scattering-coded architectured boundary for computational sensing of elastic waves”的論文，提出了基于散射編碼結(jié)構(gòu)化邊界的彈性波計(jì)算感知方法，突破了單換能器目標(biāo)定位技術(shù)難題。博士后姜添曦、廖昕昕為論文共同第一作者，何清波教授為通訊作者。
圖1. 基于散射編碼結(jié)構(gòu)化邊界的單換能器目標(biāo)定位示意圖
基于主動(dòng)聲波與彈性波的目標(biāo)定位技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、醫(yī)療診斷、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前技術(shù)通常依賴于數(shù)量龐大的換能器，硬件系統(tǒng)復(fù)雜，成本與功耗較高，而蝙蝠、海豚等生物具有結(jié)構(gòu)化的聽覺系統(tǒng)，可以調(diào)制空間聲波實(shí)現(xiàn)聲源定位，這一特點(diǎn)啟發(fā)人們?cè)O(shè)計(jì)為信號(hào)提供空間結(jié)構(gòu)化特征的人工結(jié)構(gòu)，結(jié)合計(jì)算感知算法求解反問題以重構(gòu)波源信息，從而突破空間采樣定理、降低傳感成本。目前，基于計(jì)算感知的振動(dòng)噪聲溯源研究取得了一定進(jìn)展，然而在主動(dòng)彈性波目標(biāo)定位方面依然存在研究空白。
論文提出了對(duì)空間彈性波散射場編碼的結(jié)構(gòu)化邊界概念。結(jié)構(gòu)化邊界由空間隨機(jī)分布的散射體構(gòu)成。單個(gè)換能器激勵(lì)具有多個(gè)中心頻率的脈沖信號(hào)，并接收目標(biāo)反射的回波信號(hào)；每一次脈沖的發(fā)射與接收被視為對(duì)目標(biāo)的一次觀測；利用結(jié)構(gòu)化邊界對(duì)彈性波的多重散射效應(yīng)，將復(fù)雜擾動(dòng)引入空間散射場，可以產(chǎn)生高度不相關(guān)的空間散射編碼，從而消除目標(biāo)位置信息的歧義性，僅用單個(gè)換能器實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性波的計(jì)算感知。
圖2. 基于結(jié)構(gòu)化邊界的單換能器觸摸屏（視頻）
論文對(duì)結(jié)構(gòu)化邊界進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析表明，由于結(jié)構(gòu)化邊界的多重散射效應(yīng)，隨著時(shí)間的演化，彈性波場的空間分布具有顯著的隨機(jī)性，呈現(xiàn)出高度不相關(guān)的空間散射編碼，從而為目標(biāo)位置的計(jì)算感知?jiǎng)?chuàng)造了必要條件。試驗(yàn)結(jié)果表明，論文提出的結(jié)構(gòu)化邊界消除了目標(biāo)在其空間對(duì)稱位置出現(xiàn)的可能性，結(jié)合計(jì)算感知重構(gòu)算法，只需單個(gè)換能器就可以唯一地識(shí)別目標(biāo)位置。而且與單次觀測相比，采用多個(gè)激勵(lì)頻率進(jìn)行多次觀測可以顯著提高目標(biāo)定位效果。論文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種具有結(jié)構(gòu)化邊界的單換能器超聲波觸摸屏原型，展示了對(duì)字符信息的交互式輸入。與沒有結(jié)構(gòu)化邊界的對(duì)照組相比，具有結(jié)構(gòu)化邊界的超聲波觸摸屏可以準(zhǔn)確識(shí)別手指觸摸位置。論文提出的觸摸屏裝置原型除了單換能器外，無需任何電子元件，有望與家電、終端機(jī)、機(jī)器人、移動(dòng)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等平臺(tái)進(jìn)行集成，在人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
該研究是何清波教授課題組在繼Nature Communications、Matter等工作之后，在基于超構(gòu)材料的彈性波編碼感知技術(shù)方面的又一創(chuàng)新成果，為設(shè)計(jì)具有信息編碼和識(shí)別能力的人工邊界結(jié)構(gòu)提供了新的思路，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、人機(jī)交互、波源定位等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目和中國博士后科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00196-5
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