空氣中二維稀疏超聲相控陣成像的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、針對(duì)現(xiàn)有的光學(xué)和電磁學(xué)成像設(shè)備在大霧、雨雪、強(qiáng)輻射、深海、煙霧等無法工作或效果不夠理想的情況，在空氣環(huán)境下提出一種用于障礙檢測(cè)及成像的二維稀疏超聲相控陣解決方案。
　　結(jié)合圓形活塞式超聲波換能器的遠(yuǎn)聲場(chǎng)特性及二維相控陣掃描法原理，得到二維稀疏超聲相控陣陣列因子及其方向圖，建立了二維稀疏超聲相控陣在空氣中的聲場(chǎng)模型。對(duì)二維稀疏超聲相控陣聲場(chǎng)特性進(jìn)行仿真，確定了相控陣結(jié)構(gòu)及換能器尺寸、陣元間距、陣元數(shù)量等參數(shù)，二維稀疏超聲相控陣發(fā)射陣

2、列由8×8個(gè)發(fā)射陣元組成，行方向和列方向上陣元間距均為2λ。為避免二維稀疏相控陣聲場(chǎng)中柵瓣的影響，根據(jù)雙向輻射基本原理排列發(fā)射與接收陣列，得到接收陣列結(jié)構(gòu)，接收陣列由5×5個(gè)接收陣元組成，行方向上陣元間距為3λ，列方向上陣元間距為2λ。利用幅值加權(quán)變跡優(yōu)化技術(shù)減小旁瓣與主瓣幅值比例，通過交替?zhèn)文娴惴ǐ@得二維稀疏超聲相控陣的驅(qū)動(dòng)矩陣、回波信號(hào)幅值加權(quán)矩陣及相位延遲矩陣。設(shè)計(jì)了一種基于主從控制結(jié)構(gòu)的二維稀疏超聲相控陣驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置包括

3、發(fā)射電路與接收電路。發(fā)射電路中為完成發(fā)射信號(hào)的聚焦與偏轉(zhuǎn)，在FPGA平臺(tái)上構(gòu)建基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)不同通道驅(qū)動(dòng)信號(hào)的加權(quán)與延時(shí);接收電路中通過相反的過程完成信號(hào)的定向接收。
　　設(shè)計(jì)的二維稀疏超聲相控陣可有效消除柵瓣并抑制旁瓣的影響，行方向和列方向上的角度分辨率可達(dá)1.5°，掃描范圍最大可達(dá)50°。此外，通過幅值加權(quán)變跡優(yōu)化，二維稀疏超聲相控陣聲場(chǎng)與優(yōu)化前相比，旁瓣與主瓣比值降低約5％、-3dB聲束寬度減小約0.6cm