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作者及机构
本研究由上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室的Haibin Meng、Yuyong Xiong（通讯作者）、Wendi Tian、Xiangyi Tang、Qingbo He（IEEE高级会员）及宁夏大学的Zhike Peng合作完成，成果发表于《IEEE Internet of Things Journal》2025年5月第12卷第10期。

学术背景
研究领域为毫米波雷达声学传感技术。传统声学传感方法（如麦克风、激光多普勒测振仪LDV）存在环境噪声敏感、测量距离短、依赖目标反射特性等局限。毫米波雷达虽具抗干扰优势，但现有基于直接反射的声学感知方法（DMSS）仅适用于近距离高反射目标。本研究旨在突破这一限制，提出一种长距离、声源无关的毫米波声学感知方法（LISS），通过设计被动中继器（passive relay），将声波转换为毫米波调制信号，实现30米范围内的声学重建。

研究流程与方法
1. 系统设计与原理
- 核心组件：
- 毫米波雷达系统：采用77 GHz MIMO FMCW雷达（Texas Instruments AWR2243），通过发射调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）并接收目标反射信号，解析振动信息。
- 毫米波-声学被动中继器：三层结构设计，中央为等腰直角三角形铜箔（振动膜），两侧为刚性支撑层（聚碳酸酯材质）。铜箔正交排列形成角反射器（corner reflector），实现全向毫米波反射，同时暴露的铜箔通过声压振动调制反射信号。
- 工作原理：声波激发中继器铜箔振动，振动位移通过相位调制嵌入雷达回波，经解调还原原始声信号。

1. 实验验证

   • 长距离感知实验：
     
     • 对象：蓝牙扬声器（声源）与中继器，雷达距离30米。
       
     • 方法：对比LISS与DMSS的成像与频谱分析。LISS通过中继器清晰定位声源（信噪比SNR提升显著），而DMSS因目标反射弱无法有效提取信号（SNR恒定-23 dB）。
       
     • 结果：LISS在30米处成功重建5类音频（如正弦调频、语音片段），频谱匹配度高；DMSS在4米外失效。
       
   • 多声源分离实验：
     
     • 场景：室内环境含电钻、人声、牛叫声（模拟动物声）及背景噪声（空调、3D打印机）。
       
     • 方法：部署多个中继器，雷达同步测量。
       
     • 结果：LISS分离各声源频谱无混叠，而麦克风信号因动态范围不足丢失高频成分。
       
   • 高噪声环境实验：
     
     • 场景：户外8-25米距离，强噪声干扰。
       
     • 结果：LISS音频与原信号归一化互相关（NCC）保持高位（>0.8），远优于DMSS和麦克风（NCC≈0.025）。
       
   • 雨天适应性实验：
     
     • 结果：毫米波波长较长，受雨雪影响小，LISS频谱清晰度显著高于麦克风。
       

2. 数据分析

   • 信号处理算法：
     
     • 通过双重离散傅里叶变换（DFT）解析雷达回波相位，提取振动位移（公式14）。
       
     • 振动位移与声压线性相关，结合中继器平坦频率响应（100-800 Hz），实现高保真声学重建。
       

主要结果
1. 距离突破：LISS将感知距离从DMSS的4米扩展至30米（提升7.5倍），且不受声源材质/形状限制。
2. 多源分离：中继器的方向性抑制环境噪声，实现多声源同步定位与重建。
3. 环境鲁棒性：在雨、强噪声下保持高SNR，验证全天候适用性。

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个基于被动中继的毫米波声学感知框架，解决了传统方法依赖目标反射特性的根本问题。
- 揭示了振动膜张力与频率响应的关系（公式15-16），为优化中继器设计提供理论依据。
2. 应用价值：
- 工业监测：远距离机械故障声学诊断。
- 安防监控：隐蔽声源定位与内容获取。
- 智能交互：复杂环境下的语音采集。

研究亮点
1. 创新方法：被动中继器实现声波-毫米波信号转换，兼具方向性声学响应与全向毫米波反射。
2. 技术突破：首次将毫米波声学感知距离推至30米，信噪比提升20 dB以上。
3. 跨学科融合：结合机械振动设计（中继器）、雷达信号处理（FMCW解调）及声学理论（Stokes衰减定律）。

其他价值
作者指出未来可通过波束成形（beamforming）进一步扩展感知距离，并探索振动膜张力调控以实现频带滤波功能。