空气中二维稀疏超声相控阵成像的关键技术研究

摘要

针对现有的光学和电磁学成像设备在大雾、雨雪、强辐射、深海、烟雾等无法工作或效果不够理想的情况，在空气环境下提出一种用于障碍检测及成像的二维稀疏超声相控阵解决方案。
　　结合圆形活塞式超声波换能器的远声场特性及二维相控阵扫描法原理，得到二维稀疏超声相控阵阵列因子及其方向图，建立了二维稀疏超声相控阵在空气中的声场模型。对二维稀疏超声相控阵声场特性进行仿真，确定了相控阵结构及换能器尺寸、阵元间距、阵元数量等参数，二维稀疏超声相控阵发射阵列由8×8个发射阵元组成，行方向和列方向上阵元间距均为2λ。为避免二维稀疏相控阵声场中栅瓣的影响，根据双向辐射基本原理排列发射与接收阵列，得到接收阵列结构，接收阵列由5×5个接收阵元组成，行方向上阵元间距为3λ，列方向上阵元间距为2λ。利用幅值加权变迹优化技术减小旁瓣与主瓣幅值比例，通过交替伪逆迭代算法获得二维稀疏超声相控阵的驱动矩阵、回波信号幅值加权矩阵及相位延迟矩阵。设计了一种基于主从控制结构的二维稀疏超声相控阵驱动装置，该装置包括发射电路与接收电路。发射电路中为完成发射信号的聚焦与偏转，在FPGA平台上构建基于DDS技术的信号发生器，实现不同通道驱动信号的加权与延时;接收电路中通过相反的过程完成信号的定向接收。
　　设计的二维稀疏超声相控阵可有效消除栅瓣并抑制旁瓣的影响，行方向和列方向上的角度分辨率可达1.5°，扫描范围最大可达50°。此外，通过幅值加权变迹优化，二维稀疏超声相控阵声场与优化前相比，旁瓣与主瓣比值降低约5％、-3dB声束宽度减小约0.6cm。最后完成了驱动装置中各功能模块的设计、制作与调试，并测定单通道发射与接收匹配电路的扫描距离可达0.5～4m。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文组织结构

1．3．1 研究思路

1．3．2 论文结构

2 二维稀疏超声相控阵的基本原理

2．1 超声波换能器的声场特性

2．2 二维超声相控阵扫描原理

2．2．1 二维相控阵的波束偏转

2．2．2 二维相控阵的波束聚焦

2．2．3 二维相控阵聚焦波束的偏转

2．3 二维稀疏超声相控阵的声场特性

2．4 本章小节

3 二维稀疏超声相控阵阵列设计

3．1 阵列设计方法研究

3．2 阵元的选择

3．2．1 阵元中心频率选择分析

3．2．2 阵元孔径选择分析

3．3 发射阵列设计

3．3．1 阵元间距的确定

3．3．2 阵元数量的确定

3．4 接收阵列设计

3．5 二维稀疏超声相控阵阵列设计结果

3．6 本章小节

4 二维稀疏超声相控阵阵幅值加权变迹技术

4．1 交替伪逆迭代算法原理

4．2 仿真实现与结果分析

4．2．1 发射阵列驱动矩阵优化

4．2．2 接收阵列驱动矩阵优化

4．3 各扫描点驱动矩阵计算分析

4．4 本章小节

5 基于主从控制系统的相控阵电路设计

5．1 总体电路设计方案

5．2 控制电路设计

5．2．1 控制器主机设计

5．2．2 发射控制器从机设计

5．2．3 接收控制器从机设计

5．3 单通道匹配电路设计

5．3．1 单通道发射匹配电路设计

5．3．2 单通道接收匹配电路设计

5．4 设计结果与分析

5．4．1 电路仿真与分析

5．4．2 电路实物设计与调试

5．5 本章小节

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及研究结果