基于最小均方算法的相控阵超声波束合成技术研究

摘要

相控阵超声波束合成技术作为阵列信号处理的一个实际工程应用技术，一直是超声波检测应用中的研究热点，同时也是一个难点。传统的相控阵进行超声波束合成时，通过对阵列换能器施加延时达到接收不同方向信号的目的，没有考虑接收信号中的干扰噪声等问题。本文根据阵列信号处理中空时等效性原理，设计了一种自适应波束合成算法，通过对各阵元接收到的信号施加复增益进行波束合成以得到期望方向信号，同时抑制信号中的干扰与噪声，同时解决了自适应波束形成中无法解相干的问题。为了验证算法的可行性，设计了相控阵超声实验平台。主要研究工作如下： 学习相控阵超声换能器声场辐射的基本原理，并以此为基础研究了阵列信号处理的数学模型，在传统延时叠加算法的基础上引入空域滤波器，并且分析了影响空域滤波的关键参数。 针对空域滤波器与延时叠加算法中权值固定，无法去除噪声与抑制干扰信号的问题，引入自适应波束形成技术，并且分析了自适应波束形成的常用准则以及基于最小均方误差准则产生的广义旁瓣相消器算法。针对该算法存在协方差矩阵与互相关向量难以求得、超声环境下相干信号无法处理等问题，对广义旁瓣相消器进行改进，引入变换域下的最小均方迭代算法，最后对该算法进行了性能分析与给出实现方案。 为验证算法的可行性，完成相控阵超声波束合成系统平台的设计，首先分析该系统的总体设计，而后分析发射与接收电路的具体实现，接着介绍整个系统的核心部件FPGA与 MCU 控制系统，分析系统中数据通信处理。整体系统工作流程为：通过发射部分产生指定频率的正弦波信号，进行D/A转换、信号滤波功率放大等处理后激励超声波信号在铝板中传播，接收端对接收到的超声波信号进行A/D转换等处理后，通过FPGA级联传输进入MCU，最后上传到PC端进行数据处理。 通过仿真分析，比较了常规波束形成算法(CBF)、最小方差无失真响应(MVDR)与变换域下最小均方算法(FLMS)的波束形能力。在抑制干扰信号方面，FLMS 算法与 CBF算法相比，不会受到外界信噪比的影响，算法依然能在干扰方向形成-80dB 以上零陷，具有抑制干扰的特点。在解相干信号方面，FLMS算法与MVDR算法相比，在低信噪比条件下，信噪比为-20dB，干噪比为20dB时，除了能在期望方向形成主瓣外，还可以抑制相干干扰方向信号，此时MVDR算法已无法接收到期望信号；在高信噪比条件下，信噪比为20dB，干噪比为-20dB时，FLMS算法依然能保持良好的波束形成能力，而此时MVDR算法无法判断接收信号中的相干干扰，不能在干扰方向形成零陷，并且FLMS算法无需求解接收信号的协方差矩阵与互相关向量，简化了自适应波束计算的复杂度。通过相控阵超声实验平台发射/接收超声波信号，并对接收到的数据进行算法处理，验证了该实验平台的可靠性，并且进一步验证变换域下的最小均方迭代算法在处理超声波束合成时解相干与抑制干扰信号的优越性。

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